KURZUS: Fizikatörténet

MODUL: Újkori fizika

3.8. lecke: Az elektromosságtan története II. / Az elektromos áram

Cél: A lecke célja, hogy megértsük, hogyan születtek meg az első elektromos áramforrások, melyek még kémiai folyamatok segítségével állítottak elő feszültséget és hogy ezek megjelenése hogyan hatott az elmélet fejlődésére az által, hogy lehetővé tette az áram mágneses terének, a vezetékek egymásra gyakorolt erőhatásának és a mágneses indukciónak a felfedezését. Látni fogjuk, hogy e felfedezések révén megnyílt az út a pontos mérőműszerek megalkotása és számtalan ipari alkalmazás, pl. a villanymotor, elektromos generátor (dinamó), galvanizálás előtt.

Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes önállóan:

  • 6-8 mondatban ismerteti Luigi Galvani békacombokkal kapcsolatos kísérletét és a fő következtetéseket.
  • 8-10 mondatban ismerteti Alessandro Volta áramforrásokkal kapcsolatos felfedezéseinek lényegét.
  • 6-8 mondatban ismertetni az áram mágneses terének felfedezésének történetét, beleértve a számszerű törvény megadását is.
  • 6-8 mondatban ismertetni az áram-járta vezetékek egymásra gyakorolt erőhatásának felfedezését és annak jelentőségét.
  • 8-10 mondatban ismertetni Michael Faraday legfontosabb elektromos és mágneses terekkel kapcsolatos felfedezéseit, külön kiemelve a mágneses indukciót.

Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.

Tevékenység:

1.Nézze meg a fiztort_12_elektro videót 0:48:22-tól 1:17:30-ig. Ebben a részben a prezentációt a fiztort_12_elektro.pdf fájl 16-26. oldalai közti rész tartalmazza. A videó nézése közben a következő témák megértésére figyeljen különösen (ha szükségesnek tartja, jegyzeteljen egy füzetbe):
    • Hogyan fedezte fel Galvani és Volta azt, hogy megfelelő fémek összeérintése feszültségforrásként szolgál? Miért nagy a jelentősége az ilyen elven működő áramforrásoknak?
    • Hogyan fedezték fel az áram mágneses terét és az áram-járta vezetők egymásra gyakorolt erőhatását? Miért fontosak ezen jelenségek?
    • Mik Faraday legfontosabb elektromosságtani felfedezései? Miért különösen fontos ezek közül a mágneses indukció felfedezése?
2.A prezentációs fájl átolvasásával frissítse fel az előadásban hallottakat, különösen figyelve az előbbi kérdésekre.
3.Válaszoljon a lentebbi "Önellenőrző kérdések"-re. A cél most az 50%-osnál jobb eredmény elérése.
4.Olvassa el a lenti "Követelmények"-et és döntse el, képes lenne-e azok teljesítésére.
5.Ha az előző két pontban hiányosságok merültek fel, vegye elő újra a prezentációt vagy az előadás-videót.
6.Ha ismereteit mélyíteni szeretné, olvassa el Simonyi könyvéből a 4.4.5-4.4.8 fejezeteket.
Önellenőrző kérdések
1. Luigi Galvani híres békacombos kísérlete megmutatta, hogy különböző fémek összeérintésekor elektromos feszültség keletkezik, de egy fontos biofizikai felfedezésre is vezetett. Mi volt ez? Válassza ki a helyes megoldást!
Az idegeken elektromos jelek haladnak és ezek vezérlik az izmok összehúzódását.
A békacomb mozgatásával elektromos kisülés hozható létre.
A nagy feszültség képes megölni a békát, ezért az ember jobb ha vigyázz az elektromos kísérleteknél.
Áramütéssel sikerült egy halott béka szívét újraindítani, ami a mai újraélesztési technikák egyik alapja.
2. Milyen fizikai paramétere volt sokkal jobb a Volta-oszlopnak, mint a leideni palacknak, ami kulcsfontosságú volt az elektromos áramokat használó kísérletekben? Válassza ki a helyes megoldást!
A Volta-oszlop több ezerszer annyi töltést tudott leadni, mint a leideni palack.
A Volta-oszloppal sokkal nagyobb feszültséget lehetett előállítani, mint a leideni palackkal.
Egy átlagos Volta-oszlop sokkal kisebb volt, mint egy átlagos leideni palack, így kisebb volt a helyigénye.
A Volta-oszlop sokkal kevésbé melegedett használat közben, mint a leideni palack, amiben néha még fel is forrt a víz.
3. Miért tette lehetővé a pontos elektromosságtani mérőberendezések (feszültség- és áramerősség-mérők) megjelenését az, hogy Ampere felfedezte az áram-járta vezetők egymásra gyakorolt erőhatásának jelenségét és törvényeit? Válassza ki a helyes megoldást!
Azért, mert így erőmérésre lehetett visszavezetni az áramerősség mérését, és az erőmérésre pontos technikák álltak rendelkezésre.
Azért, mert így meg lehetett mutatni, hogy az áramok segítségével akár nagy erők is kifejthetők, azaz lehetőség van az ipari alkalmazásokra, ami sok befektetőt vonzott a téma kutatásának támogatására.
Az állítás nem is igaz, már jóval Ampere előtt léteztek pontos áramerősség- és feszültség-mérők, melyek teljesen más elven működtek.
Azért, mert előkészítette Faraday felfedezését a mágneses indukcióval kapcsolatban, ami végül az elektromos generátorhoz vezetett.
4. Miért volt jelentős a mágneses indukció felfedezése az ipari áramtermelés szempontjából? Válassza ki a helyes megoldást!
Azért, mert ezen az elven működtek az első villanymotorok, amiket az ipar széles körben alkalmazott.
Azért, mert a mágneses indukció segítségével a Volta-oszlopok hatékonyságát meg lehetett sokszorozni.
Az állítás nem igaz: az ipari áramtermelés alapja Ampere felfedezése, miszerint az áram-járta vezetők erőt fejtenek ki egymásra.
Azért, mert ezen az elven működnek az elektromos generátorok, amik mechanikai energiát képesek elektromossá alakítani.
1. Az első áramforrások: Galvani és Volta felfedezései

Az 1700-as évek végére már igen sokat tudtunk az elektromos jelenségekről, de a kísérleteket egy fontos tény hátráltatta: a dörzselektromos gép és a leideni palack is csak kevés töltés tárolt, így kevés ideig tudták a töltések áramlását biztosítani, ami nem tette lehetővé számtalan alapjelenség felfedezését. Ezen változtatott az első, mai értelemben vett áramforrások felfedezése.

Luigi Galvani (1737-1798) 1791-ben egy érdekes jelenséget vett észre. Frissen boncolt békacombokkal végzett kísérleteket és ezeket fémkampóval különféle helyekre akasztotta fel az előkészítés során. A különös tapasztalat az volt, hogy ha eközben két különböző fém egymással és a béka egy idegszálának két részével is érintkezett, a comb rángatózni kezdett, mert az izmok összehúzódtak.

Hasonló jelenséget tapasztalt, ha a békacombokat felfüggesztő kampó hozzáért az ideghez, és a békacomb zivataros időben a szabadban volt kiakasztva.

Galvani, aki elsősorban a biológiában volt jártas, az állat szervezete által termelt elektromosságnak tulajdonította a jelenségeket. Alessandro Volta (1745-1827) viszont, aki megismételte Galvani kísérleteit, két fontos jelenségre vezette vissza a tapasztalatokat:

1.Különböző fémek összeérintésekor elektromos feszültség-különbség keletkezik.
2.Az ideghálózatokon elektromos jelek szállítják az izmok vezérlését végző parancsokat.

A fizika szempontjából az első eredmény volt a fontos, a biológia és orvostudományok számára pedig a második. Volta folytatta kísérleteit, hogy megbízható, tartós áramforrást állítson elő, Galvanit pedig elsősorban a biológiai része érdekelte a jelenségkörnek.

Volta első eredménye a "Volta-elem" vagy "galvánelem" kifejlesztése volt, melynek működése Galvani kísérleteiből volt levezethető, de a konkrét konstrukciót Volta adta meg. A Volta-elem lényege, hogy két, különböző fémből (mondjuk rézből és cinkből) készült lemezt mártunk egy elektromosan vezető folyadékba, amit elektrolitnak nevezünk. Elektrolit igen egyszerűen előállítható pl. vízhez kénsavat adva. A két fémlemezt vezetékkel összekötve azon áram indul meg és ezt hosszú ideig fenn is tudja tartani a rendszer, nemcsak egy gyors kisülés történik. Volta sok fémmel kísérletezett és azt kapta, hogy ha a körülmények ideálisak, a két pólus közti feszültséget csak a két fém anyaga határozza meg. Emiatt javasolta, hogy feszültségegységnek valamelyik két fém közt ébredő feszültséget használják. Később ugyan kiderült, hogy van jobb megoldás is alapegység meghatározására, de végül is innen fakad, hogy a feszültség egységét "volt"-nak nevezzük, "V"-vel jelöljük (Alessandro Volta neve miatt), és ez úgy lett megállapítva, hogy a különböző fémpárok közt ébredő feszültség egységnyi nagyságrendű (0,5 és 2 V közt) legyen.

Ilyen áramforrást mindenki könnyen tudott készíteni és mai elektromos elemeink, akkumulátoraink is ezt a sémát követik, csak technikai okokból sok esetben a folyadékot porózus anyagban itatják fel, változatos elektródákat és elektrolitot használnak stb.

A téma kutatásának elején egy ideig nem volt világos, honnan is származik az a töltés és az az energia, ami a pólusok közti vezetéken megjelenik. A részletes vizsgálatok kimutatták, hogy az elektródák és az elektrolit anyagának kémiai változásai állnak a háttérben. Ez pl. az elektródák korróziójában vagy felszínére kiülő fémrétegben vált megtapasztalhatóvá, amiből kiderült: nem a semmiből jön a galvánelemek energiája, mert a használt anyagok egy véges kapacitással rendelkeznek és egy idő után az elemek lemerülnek. A részletes magyarázatot akkortájt még nem értették, hisz hiányzott az atomelmélet, de a tapasztalatok alapján számtalan felfedezésre, alkalmazásra jutottak. Két fontos ezek közül:

  • Jól megválasztott elektrolit és elektróda esetén külső feszültségforrás segítségével elérhető, hogy egyenletes fémréteggel vonjuk be az egyik elektródát. A technika elnevezése "galvanizálás" lett és a mai napig kiemelten fontos megmunkálás technológia pl. korróziómentes bevonat felvitele céljából.
  • Az elektrolitban is kémiai változások indukálhatók külső áramforrás használatával. Ezzel az "elektrolízis"-nek nevezett eljárással pl. a víz hidrogénre és oxigénre bontható.
  • Bizonyos anyagokkal elérhető, hogy külső áramforrásból feltöltsük az elemet, azaz olyan kémiai változásokat hozzunk benne létre, ami utána a töltés bizonyos hatásfokú visszaadására ad lehetőséget. Ezeket az eszközöket ma akkumulátornak hívjuk és fejlesztésük a legfontosabb kutatási témák egyike.

Volta nem volt teljesen elégedett az előbb ismertetett áramforrással, mert terjedelmes volt, vigyázni kellett a folyadékra és feszültsége sok alkalmazáshoz kevésnek bizonyult. Sok galvánelem sorba kötésével persze a feszültség is növekedett, de ez terjedelmessé és nehézkessé tette az áramforrást. Ezért Volta végletekig egyszerűsítette a konstrukciót: a két elektródát nem edénybe lógatta, hanem az elektrolitot felitatta egy vászondarabbal (a melléklet ábrán a kék réteg) és azt tette közéjük. Az így kapott cella lapos volt, nem folyt ki belőle az elektrolit és sorba kötésükhöz nem kellett más, csak az ugyanilyen cellák egymásra pakolása. Ez egy egyszerű tartószerkezettel megoltható volt, így keletkezett a "Volta-oszlop".

A Volta-oszlop elkészítése egyszerű, az alkalmazott rétegek számának függvényében 20-200 V közötti feszültségű lehet. Ez már jelentős alkalmazásokhoz is elegendő. Mai egységekben: egy ilyen Volta-oszlop akár 10000 coulomb töltést is képes leadni, tehát pl. 1 A áramerősséget kb. 3 órán át tud biztosítani. (Összehasonlításul: a legjobb leideni palackok töltése talán elérte az 1 coulombot, azaz 1 A áramerősséget 1 másodpercig tudtak tartani.) Ez volt az alapja mind a gyakorlati alkalmazásoknak, mind az elmélet fejlődésének, mert lehetővé tette, hogy az olyan fogalmak, mint pl. áramerősség, feszültség stb. letisztázódjanak és pontosan mérhetővé váljanak.

2. Az áram mágneses tere

Az elektromos és mágneses jelenségek hasonlósága mindig nyilvánvaló volt, de a kutatások (pl. William Gilberté) tisztázták az ezek közti alapvető különbséget. Ezután sokáig azt hitték, hogy a két jelenségkör csak véletlenül mutat hasonlóságokat. Keresték pl. az elektromosan töltött testek környékén a mágneses jelenségek megjelenését, de ezek a kísérletek negatív eredményt hoztak. A galvánelem és a Volta-oszlop megjelenése azonban nagyságrendekkel emelte meg a megmozgatott töltésmennyiséget és a kísérletek időtartamát, és ezért vált lehetővé, hogy a kapcsolat mégiscsak kiderüljön.

A felfedezés Hans Christian Oersted (1777-1851) nevéhez fűződik, aki egy egyetemi előadáson azt akarta bemutatni diákjainak, hogy még a legerősebb elektromos áramnak sincs mágneses tere, ezért egy vezetéken az általa elérhető legnagyobb áramerősséget bocsátotta át és meglepve tapasztalta, hogy a várakozásokkal ellentétben az áram-járta vezeték közelében levő mágneses iránytű kitért eredeti irányából. Az ennek nyomán kezdett kísérletsorozatból kiderült, hogy az áramnak van mágneses tere, csak addig egyszerűen túl kicsi áramerősségekkel próbálkoztak ahhoz, hogy a használt mágnestűk mérhetően kilengjenek.

Érdekes, hogy Oersted eleinte téves magyarázatot adott a jelenségre. A nagy áramerősség miatt ugyanis a használt vezeték izzásba jött és ő azt hitte, a fényjelenség lényeges, azaz nem az áram hoz létre mágneses teret közvetlenül, hanem az áram által gerjesztett fényjelenség. Később tisztázódott, hogy a kapcsolat véletlen: érzékenyebb mágnestűk már kisebb áramerősségek, azaz nem izzó vezetékek esetén is kitértek, illetve sok egyirányú vezeték összeadódó tere is izzás nélkül kimutatható volt.

Oersted eredményeit 1820-ban publikálta és az egész világ felfigyelt rá, mert azonnal felmérhetők volt, hogy nagy lehetőségek rejlenek a témában.

Jean-Baptiste Biot (1774-1862) és Félix Savart (1791-1841) már 1820-ban megadták a róluk elnevezett Biot-Savart-törvényt, mely tetszőleges vezeték mágneses terének kiszámítására alkalmas volt. E törvény ma a speciális villamosmérnöki, fizikusi képzések anyagát képezi, mert formulája bonyolultabb annál, ami egy általános szintű középiskolai tudás alapján értelmezhető. Jellegében a törvény kicsit hasonlított az elektrosztatika alapegyenletére, azaz megadta, hogy egy elemi kis áramdarab milyen mágneses teret kelt maga körül, és ezek összegéből állt elő a teljes megoldás. A Biot-Savart törvény kidolgozásában Laplace és Poisson (akik az elektrosztatika alapegyenletének felírását is végezték) segédkeztek és végül ők egy tömörebb matematikai törvényt is találtak a leírásra.

3. Az áram-járta vezetékek egymásra hatása

Oersted felfedezése sokak figyelmét irányította a témakörre és sorra születtek a nagy felfedezések az 1820-as években. Még 1820-ban Andre Marie Ampere (1775-1836) előállt annak felfedezésével, hogy az áram-járta vezetékek egymásra erőhatással vannak és meg is adta azt ezt leíró összefüggéseket.

A felfedezés óriási jelentőségű, mert az áramerősség mérését erőmérésre vezeti vissza, aminek az elmélete és gyakorlata az 1820-as évekre már nagyon kifinomult volt. Így vált lehetővé az első pontos áramerősség-mérő műszerek megalkotása. (Nem véletlen, hogy annak egységét Ampere-ről nevezték el.) Pontos áramerősség-méréssel pedig a feszültség, töltés és egyéb mennyiségek mérése is lehetővé vált.

Ezekben az években születtek meg az elektronika és az elektrotechnika alapjai. Pl. 1826-ban Georg Simon Ohm felfedezte a később róla elnevezett Ohm-törvényt, majd 1846-ban az áramkörökre vonatkozó Kirchhoff-törvények következtek a nagy felfedezések sorában.

Az áram-erőhatás kapcsolat lehetővé tette az első igen egyszerű villanymotorok megkonstruálását is, amit sokan, egymásról nem tudva, több helyen is megtettek. Így pl. Jedlik Ányos is létrehozott egy egyszerű villanymotort 1827-28-ban, amiről egy későbbi leckében külön szólunk.

4 Michael Faraday és az indukció jelensége

Michael Faraday (1791-1867) számtalan kiemelkedő eredményt ért el az elektromágnesesség témakörében, melyek közül az indukció jelenségét emeljük ki annak különlegesen nagy fontossága miatt.

Faraday 1831-ben egy érdekes jelenséget vett észre: azt, hogy időben változó mágneses tér elektromos teret indukál. Az egyik megnyilvánulása ennek az volt, hogy egy huzalból álló tekercs közelében illetve annak belsejében egy rúdmágnest mozgatott és ekkor a tekercs kivezetésein váltakozó feszültséget mért. A téma másik alapkísérlete pedig az volt, hogy ha egy tekercsben folyó áram szaggatásával gyorsan változó mágneses teret állított elő és e mágneses tér egy közelben elhelyezett másik tekercs belsején haladt át, akkor e második tekercsben feszültség ébredt, azaz indukálódott.

A jelenség jelentősége hatalmas: ennek segítségével mozgásból elektromos feszültség állítható elő. Potenciálisan ez a Volta-oszlopoknál sok nagyságrenddel nagyobb teljesítményű áramforrásokat tesz lehetővé, amit Faraday és a kortársak fel is ismertek, bár az ipari méretekben hasznosítható áramgenerátorok fejlesztésére még pár évtizedet várni kellett a technikai nehézségek miatt. Ilyen (az indukció elvén működő) generátorok állítják elő ma is a felhasznált elektromos teljesítmény nagy részét, de a kis bicikli-dinamó elve is ezen alapul: mágnest és tekercset mozgatunk egymáshoz képest és ez a tekercsben feszültséget ébreszt. (Az elektromos generátorok történetére a következő leckékben még utalunk.)

Faraday nevéhez ezen kívül még sok eredmény fűződik. Címszavakban:

  • Az anyagok mágneses tulajdonságának részletes vizsgálata.
  • Faraday-kalitka: egy vezetővel körbezárt térrész belsejére nem hat a külvilág töltéseinek elektromos tere.
  • Erős mágneses térben a fény polarizációs síkja elfordul, azaz a fény és az elektromágnesesség közt valami kapcsolat van.
  • Az elektrolízis alapegyenleteinek felírása.
  • Elektromos és mágneses tér fogalmának következetes használata. Bár már mások is sejtették, hogy a régi elképzelés az elektromos "fluiduumról" téves, Faraday volt az, aki következetesen használni kezdte az elektromos és mágneses tér elnevezést.

Faraday megsejtette azt is, hogy az elektromos és mágneses tér képes hullámszerű jelenség produkálására és azt, hogy ez a fénnyel kapcsolatban álló jelenség. Ennek bizonyítása azonban tanítványára, Maxwellre maradt, akiről a következő lecke szól.