111

A XVIII. SZÁZAD: a felvilágosodás kora : „Merj tudni”

A Nagy Francia Enciklopédia”, 33 kötet

A kor kiválóságai a hasznosság elvét vallva összegyűjtötték a XVIII. Század legmodernebb ismereteit. A kiadvány szerkesztője, Denis Diderot, korának egyik legkiválóbb gondolkodója volt. Társszerkesztőként dolgozott mellette d’Alambert, a szerzők is neves személyiségek voltak: Helvetius, Voltaire stb.

A KLASSZIKUS FIZIKA KITELJESEDÉSE

Az „Optika” címszómagyarázó ábrái

A tudományról szóló kötet címlapja

222

1687: Newton Princípiájának megjelenési éve1820: Oersted felfedezése az áram mágneses hatásáról1864: Maxwell elektrodinamikája1870: A statisztikus mechanika kifejlesztése, (Boltzmann)1925: Kvantumelmélet (Heisenberg)

33

A fizikában:

•A mechanika a Newtoni életművel kiteljesedett egy időre, •az optika a vákuum- éter, részecske hullám vitán nem tudott még túljutni.

•Az elektromosság-mágnesség és a hőtan területén viszont indult nagyon gyors fejlődésnek. •Mindkét területnek vannak kémiai vonatkozásai is, biztosan ez is hatással volt a fejlődésükre ebben az időszakban.

A XVIII. századot a kémia századának is nevezik:

Boyle, Lomonoszov, Lavoisier, Dalton, Guy-Lussac, Avogadro, Mengyelejev……

444

AXVIII. sz. közepéig a mechanika és a fénytan mellett az elektromosság és mágnesség eléggé a kezdeteknél járt még, csak kvalitatív kísérletek folytak.

A kvalitatív elektrosztatikai vizsgálatok a XVIII. század első felében mentek végbe.A szereplők: William Gilbert, Stephan Gray, Dufay, Franklin, Aepinus, Priestley,

Musschenbroek, , Hauksbee……

A kvantitatív leíráshoz vezető út két fő lépése:•Coulomb törvény •galvánelemek: Galvani, Volta

A további elméleti eredmények az alábbi fizikusok érdemei: Ohm, Kirchhoff, Oersted, Ampere, Faraday…

ELEKTROMOSSÁG - MÁGNESSÉG

Az eredmények gyors egymásutánban jöttek, az elsőbbség nem mindig volt kideríthető. Nem a versengés volt a jellemző, inkább egymásnak adogatták a labdát.

Franciaország, Anglia, Hollandia, Olaszország, Németország

555

•Görögök: Az alapjelenségeket már az ókori görögök is ismerték, tőlük jött az elnevezés

Borostyán (gyanta) –elektron, mágneskő –magnetit

•Kínaiak: iránytű: i.sz. VI. sz.

„jövendőmondó kanál” szent kőből v. kristályból (jade, hegyikristály).

A mágneskőből készült megpörgetett kanál mindig ugyanott áll meg („Gromantikus asztal”).

Hagyományos kínai iránytű

Európában az iránytű nagyon lassan terjedt el, kb. 1200 körül.

Korábban navigációra a madarak repülési irányát is használták a szárazföldek felkutatásakor. (Pl. Izland felfedezése, hollók röptetése)

Az első felfedezések

Elemi mágneses tulajdonságok

666

Petrus Peregrinus (Pierre de Maricourt): 1260 körül

Első tudományos értekezés a mágnesről:

•két pólus van, kettévágva a mágnest két mágnes lesz, mindegyiknek két-két pólusa van.

•Mágnességet indukál

Robert Norman: The News Attractive, 1581

mágneses lehajlás (inklináció)

Az iránytű készítése:egy vékony vaslemezből kivágták a tűt, majd egy tűhegyen kiegyensúlyozták, és megmágnesezték úgy, hogy mágnesvaskőhöz dörzsölték. A dörzsölés után visszatéve a tűhegyre az északi pólus lefelé is hajlik. A mágnestű nemcsak északra, hanem lefelé is mutat.

Ezt a jelenséget a hajósok is felfedezték.

777

Sir William Gilbert (1544-1603) Anglia

Erzsébet Királynő udvari orvosa, Galilei kortársa

Kísérletek a mágnesek kölcsönhatására vonatkozóan: „de Magnete” címűműve, 1600(Kísérletet tett arra, hogy a kopernikuszi világképnek megfelelően a bolygók Nap körüli mozgását a mágneses vonzással leírja).

Kidolgozta a Föld mágneses modelljét.Mágneses vasércből golyókat készített, és az ezeket körülvevő teret kis iránytűkkeltapogatta le. A kis tűk mindig a gömb mágneses pólusait összekötő főkör irányába, álltak be, hasonlóan ahhoz, ahogy az iránytűk hajózáskor a Föld felszínének különböző pontjainbeállnak.

Ebből arra következtetett, hogy a Földet óriás mágnesnek lehet tekinteni.

888

További megfigyelései:

•megadja a pólusok közötti erőhatás jellegét, beszél mágneses vonzó- és taszítóerőről

•a két pólus nem választható el egymástól: kettétörve egy mágnest a felekből is kétpólusú mágnesek lesznek

•izzítással a mágnesesség megszűnik•ha az izzó acélrúd észak - déli irányba állítva hűl ki, mágneses lesz

•megállapítja a mágnestű vízszinteshez képesti elhajlását (inklináció), ez alapján a szélességi fok meghatározását lehetségesnek tartja.

Elektrosztatikus vonzást is észrevette. A kimutatására nem iránytűt, hanem kis rögzített szalmaszálat használt. Úgy találta, hogy az a többi test vonzásának megfelelően fordul körbe.

999

•vannak a borostyánhoz hasonlóan dörzsöléssel elektromossá tehető anyagok: pl. üveg, pecsétviasz, kén – ezeket elektrikumoknak nevezi

•mérőeszköz a hatóerő mérésére

•összehasonlítja az elektromosságot és a mágnesességet: az előbbi a vonzásban (attractio), az utóbbi elforgató hatásban (verticitas) jelentkezik

•az elektromos vonzás ugyanazokat a szabályokat követi, mint a mágneses vonzás

•az elektromos taszítás jelenségét nem ismeri

Elektromosságtani megfigyelései

101010

Stephen Gray: (Anglia, 1666-1736)

Gray kísérletei 1729-ben arra irányultak, hogy mely anyagok képesek dörzsölés hatására elektromos állapotba kerülni, melyek tartják meg elektromos állapotukat, és melyek nem. Így fedezte fel, hogy a fémek továbbadják elektromos állapotukat, ezért vezetőknek nevezte el.

Gray kísérlete: Az elektromosság nedves zsinegen több száz méterre is elvezethető

Az elektromos vezetés felfedezője

Az üveget dörzsöléssel feltöltötte, a hozzáérintkező dugón keresztül a fémszög is feltöltődött. A töltéseket nedves kötöző zsinór több száz méterre elvezette.

111111

Elektromosságtani kísérletek, kétféle elektromosság van, megosztás jelensége

•Elektromos megosztás: a megdörzsölt borostyánkő a könnyű tárgyakat magához vonzza, majd elengedi. A könnyű tárgyak ezután taszítják egymást.

•Kétféle elektromos fluidum van: az azonosak taszítják egymást, a különbözők vonzzák

•A semleges anyagokban mindkét fluidum egyenlőmértékben van jelen.

•Az elektromos fluidumot át lehet vinni egyik testről a másikra nemcsak közvetlen érintkezéssel, hanem pl. összekötő fémrúddal, vagy nedves kötéllel is.

Otto von Guericke (Németország)

1212

Elkezdtek játszadozni a szikrákkal, valódi hatásokat tudtak produkálni. Fényes szikrákat pattogtattak, két egymás kezét fogó embert egyszerre érhetett áramütés. („elektromozó gépek”)Az orvoslásban elkezdték alkalmazni: pl.bénulásos esetekben, elektrosokk Az elektromosság nagy sikert aratott, mindenki beszélt róla.

Charles François de Cisternay du Fay (Franciaország, 1698 – 1739)

Kétféle elektromosság van

Folytatta Gray kísérleteit, és 1733-ban arra a következtetésre jutott, hogy a dörzsöléssel elektromos állapotba hozott tárgyak egymásra vonzó vagy taszító hatással vannak.

Ezért az anyagokat kétféle csoportba sorolta:

az egyik csoportban lévő anyagok úgy viselkednek, mint a gyanta (borostyán), ezeket gyanta elektromos anyagoknak nevezte,

a másik csoportban lévő anyagok pedig úgy, mint a megdörzsölt üveg, ezek lettek az

üveg elektromos anyagok.

131313

Guericke dörzselektromos gépe

Az első sztatikus elektromosságot szolgáltató berendezést Otto von Guerickekészítette még a XVII. században. A kéngömbbel működő dörzselektromosgépet később Hausen tökéletesítette: a gép forgó üveggömbje a kézhez súrlódva töltődött fel. Egy svéd fizikus, Martin von Planta, 1755-ben üveglemezt tett a gömb helyére, a kezet pedig bőrdarabokkal helyettesítette. (E. Farber: The Evolution of

Chemistry nyomán)

Dörzs elektromos gépek: töltések szétválasztása

Elektroszkóp, leydeni palack: töltések kimutatása

141414

Francis Hauksbee (1660–1713),Angol kísérleti fizikus, Newton laboratóriumi AsszisztenseElektroszkóp

Otto von GuerickeAz első dörzselektromos gép

Pieter (Petrus) van Musschenbroek (1692. – 1761) holland természettudós

Leydeni palack: az első első kondenzátor

Elektrosztatikus kísérleti eszközök

151515

Leydeni palack: a felfedezés története:

Musschenbroek üvegpalackba zárt vizet "villanyozott" úgy, hogy az üveg dugóján keresztülvezetett fémszálat kötötte össze a dörzs elektromos géppel. A palackot egyik kezében tartva a másik kezével hozzáért a vezető rendszerhez, és így egy erős áramütést kapott.

Leydeni palack

161616

Benjamin Franklin (1706-1790, Amerika), Politikus, író, feltaláló

40 évesen kezdett el tudománnyal foglalkozni. Ötletes kísérletező.

Tanulmányait kötetbe gyűjtötte össze.

Ő az első amerikai tudós, aki érdemben beleszólt az európai tudomány

fejlődésébe.

•Pozitív-negatív elnevezés és az „elektromosan töltött kifejezés” tőle származik.

•A villám elektromos voltának bizonyítására vonatkozó kísérlet: a viharos felhőkbe nedves kötéllel feleregetett sárkány segítségével feltudta tölteni a leydeni palackját.

•Csúcshatás:Franklin állapította meg azt a tényt, hogy hegyes fémtű segítségével egy testet töltéssel lehet ellátni, és a töltést le is lehet szedni- a villámhárító alapja

•Az első lemezes kondenzátor megépítése

•Egy elektromos fluidum hipotézis: „az áram iránya”

•1755-ben kísérletileg megfigyelte, hogy egy vezetőre juttatott elektromos töltés teljes egészében a vezető külső felületén helyezkedik el.

171717

A villám elektromos kisülés

Egy-fluidum elmélete

Az üvegelektromosságot elnevezte pozitívnak. Ez az egyetlen elektromos fluidum: ha fölös mennyiségben van, akkor pozitív töltésű a test, ha hiány van belőle, akkor negatív.

Ebből az elképzelésből maradt vissza az a terminológia, hogy az elektromos áram a pozitív elektródtól megy a negatív felé.

Technikai áram irány

fizikai áramirány

181818

Franklin egyetlen töltésfajtát tételezett fel; ezt azonosította a Dufay által üveg elektromosságnak nevezett töltésfajtával.

E szerint a test elektromos állapota attól függ, hogy ebből az elektromos töltésből a testen a normálisnál több van-e, akkor azt mondjuk, hogy a test üvegelektromossággal, -pozitívelektromossággal- van töltve; ha viszont hiány áll elő, akkor a régi értelemben a test gyantaelektromossággal, vagy az új elnevezés szerint negatív elektromos töltéssel van ellátva. A negatív elektromos töltés tehát a töltés hiányát jelenti, más szóval az elektromos töltéstől megfosztott anyagot.

Fontos: (1752)kimondja töltésmegmaradás elvét: egy elektromos jelenség lejátszódása közben az anyagokban lévő töltések összmennyisége nem változik.

Coulomb visszatért a kétféle elektromosság elképzeléséhez.

Kvantitatív leírásKétféle elektromosságot feltételezve, a Newton féle gravitációs törvény hatására többen azt feltételezték, hogy az erőhatás mindkét töltéssel arányos, tehát arányos a töltések szorzatával.

191919

Az elektromos erőtörvény

Newton nyomán a töltött testek között távolba ható erők törvényszerűségeit keresték.

Ehhez a törvényszerűséghez négyen is eljutottak egymástól függetlenül: Priestley, Cavendish, Robison és végül, akiről a törvényt elnevezték: Coulomb.

Priestley az 1767-ben megjelent könyvében pontosan megfogalmazza a törvényt, sőt, meg is indokolja azt. Ismert volt ugyanis az a kísérleti tény, hogy egyrészt az elektromos töltés a vezetők felületén helyezkedik el, másrészt, hogy az üreges vezetők belsejében nem észlelhető elektromos erőhatás. A felületen elhelyezkedő töltések azonban csak akkor rontják le egymás hatását egy zárt felület belsejében levő pontban, ha az erőhatás a távolság négyzetével fordítva változik.

Teljesen hasonló gondolatmenettel jutott el ezen törvényhez Cavendish, aki ezen túlmenően, torziós mérleggel külön kísérletekkel is igazolta ezt az összefüggést. Történelmi érdekesség az is, hogy a torziós mérlegnek – mint az igen kis erők mérésére alkalmas eszköznek – a gondolata egyszerre merült fel, egymástól függetlenül több kutatóagyában; Cavendish hivatkozik arra, hogy a torziós mérleg ötletét, sőt a torziós mérleg elsőpéldányát Michelé tiszteletestől kapta.

202020

Henry Cavendish (1731-1810) Anglia

Emberkerülő, magányos tudós. Birtokán visszavonultan élt, alapvető elektrosztatikai jelenségekkel foglalkozott.A villamosság történetében sokkal nagyobb helyetérdemelne, ha tudományos eredményeit időben publikálta volna. Erre csak 100 évvel később, 1879-ben került sor.

„Villanyozottsági fok”(potenciál): érintkező vezetők azonos potenciálon,

Kapacitás fogalma,

dielektrikumok tulajdonságát is vizsgálta

Anyagok vezetőképessége.

A gravitációs állandót először mérte ki a torziós ingával.

Cavendish laboratórium: emlékére 1871-ben alapította egy leszármazottja a Cambridge-i egyetem rektoraként.

Cavendish torziós ingája

212121

Cavendish nem beszél potenciálról, hanem "villanyozottság fokról": ha összeköt egy vékony vezetékkel két fém vezetőt, akkor beszél a két fém vezető egyforma villanyozottsági fokáról. Ma egyszerűen úgy mondjuk, hogy a két vezetőt azonos potenciálra hoztuk.

Cavendish felveti a kérdést, hogy hogy aránylik ilyenkor a két vezető töltése. Amikor ezt a töltésarányt meghatározta, akkor tulajdonképpen a két vezető kapacitásánakarányát határozta meg.

Cavendish a dielektrikumok tulajdonságát is vizsgálta. Megállapította, hogy megváltozik a vezető töltésbefogadó képessége, ha a környezetét különbözőszigetelőanyaggal töltjük ki. Ehhez a felismeréshez közel két emberöltőmúlva jut el majd Faraday.

Cavendish összehasonlítja az egyes anyagok vezetőképességét is. Ezzel bevezeti az ellenállás fogalmát, félévszázaddal megelőzve Ohmot.

Kéziratában a módszerére is fény derült: azt hasonlította össze, hogy különbözőanyagokon keresztül érintve meg a feltöltött leideni palack két elektródáját, mekkora áramütést kapott. Az áramütés szubjektív érzetéből következtetett a vezetőképesség számszerű értékére.

222222

Az elektromos és mágneses erőtörvény

Előzmény: Franklin,Priestley és Cavendish tapasztalatai: a vezető töltése teljes egészében a felületen helyezkedik el, belseje viszont mentes az elektromos hatástól:

Auguste Coulomb: méréssel igazolja a törvényt

A gömbökön lévő elektromos töltés és a gömbök távolságának változtatásával kimérte a törvényt (1786)

2

21

R

QQkF

⋅=

Coulomb torziós mérlege2

2

9109

C

Nmk ⋅=

k értéke, ha a töltés mértékegysége az SI mértékegységben van megadva: :

2

1

RF ∝

232323

Charles Augustin Coulomb (1736 - 1806) Francia fizikus, hadmérnök. Párizsban folytatott fizikai és matematikai tanulmányokat.

1764-től 1772-ig Martinique szigetén a Bourbon-erőd építését tervezte és vezette. A lelkiismeretes munka és az egészségtelen éghajlat viszontagságai azonban nem nyerték el jutalmukat, mert mire Coulomb hazatért, már nem az őt megbízó miniszter ült a bársonyszékben, és a tudós érdemeit nem méltányolta. Ettől kezdve főleg a tudománnyal foglalkozott vidéki birtokán.

Coulomb mágneses mérlege

Coulomb a gépek súrlódását, a szélmalmokat, a fém-és selyemszálak rugalmasságát, a testek szilárdságát is kutatta. E célból torziós mérleget szerkesztett, ezzel mérte az elektromos és mágneses erőket is. Vizsgálta a szigetelőanyagok tulajdonságait, és megállapította, hogy az elektromosság csak a vezetők felületén terjed. Kimutatta, hogy a mágnes nemcsak a vasra, hanem más fémekre is hat.

242424

Abban a pillanatban, amint az elektromosan töltött testek egymásra hatásának matematikai törvényszerűségét megtalálták, semmi akadálya nem volt, hogy a gravitációs jelenségek számára kidolgozott matematikai apparátust a villamos jelenségekre is alkalmazzák.

Ezt tette Poisson 1811-ben megjelent cikkében.

Ezzel a cikkel lett az elektrosztatika nagykorú és matematikai fejlettségében is egyenrangú társa a mechanikának.

A magnetosztatika számára ugyancsak Poisson végezte el a nagykorúsítást 1824-ben.

Az elektrosztatikát végül is Green és Gauss öltöztette mai alakjába.

Az elektrosztatika törvényei

Gauss tétel (forráserősség)

Konzervatív tér, örvényerősség

252525

Az elektrosztatikus vizsgálatoknál nyilvánvaló volt, hogy a feltöltésnél, kisütésnél az elektromos töltések áramlásáról van szó, más szóval elektromos áramról.

Ennek törvényszerűségeit azonban, de különösen mágneses hatását csak akkor lehetett vizsgálni, amikor a kísérletezők számára kellő erősségben állandó töltésáramlás állt rendelkezésre.

Az áttörést ezen a téren az 1800-as esztendő hozta meg. Ekkor jelentette be Alessandro Volta egy levélben a londoni Royal Society elnökének találmányát, amelynek segítségével állandó egyenáramot lehetett előállítani.

Egyenáramú áramforrás előállítása : Volta, Galvani

Alessandro Volta (1745–1827) Itália

a Paviai egyetem fizika professzora, majd rektora, Galvani barátja. Találmánya bejelentése előtt 22 évet töltött a PáviaiEgyetemen, mint a kísérleti fizika professzora, természetesen ismerte kora tudományos eredményeit, sőt az addigiaknál hatásosabb elektrosztatikus gépet is szerkesztett. A Volta-oszlop megalkotásához azonban Luigi Galvani bolognai professzor békacomb kísérletei vezették el.

262626

Volta találmányának előzményei 1780-ra nyúlnak vissza. Luigi Galvani (1737–1798) a bolognai egyetem anatómia professzora kísérlete szerint egy vas-ággal és réz-ággal bíróvillával megérintette a békacombot, amely minden érintésnél összehúzódott.

Galvanizmus

Volta bebizonyította, hogy ez a jelenség szervetlen

eredetű, amelyet mindig megfigyelhetünk, ha két fémből

összeforrasztott drót végét sóoldatba mártjuk.

Volta oszlop: váltakozóan egymásra következő réz és cink korong, közte sóoldatba mártott szövetréteg.

Folyamatosan termelt áramot.

A modern villamos elemek prototípusa

2727

Luigi Galvani (Bologna, 1737–1798) Bologna, olasz fiziológus, orvos

Az 1770-es évektől foglalkozott a békák anatómiájával és az elektorfiziológiájával. Egy tanítványa figyelte meg, hogy amikor Galvani békát preparált, a kés érintésére a békacomb összerándult, ha a gerincvelőhöz egy másik fémmel értek hozzá.

Galvani azt hitte, felfedezte az állati elektromosságot, mert az idegeket és izmokat ellentétes elektromosság tölti fel, s ennek kisülése okozza az összerándulást. Feltételezte, hogy a közvetítő anyag, „elektromos fluidum” kiválasztásában az agy játssza a főszerepet, az idegek vezetik azt az izomszövetbe.

Volta ismerte fel 1792-ben, hogy a villamosság létrejöttében a fémeknek nagyobb szerepe van, mint a békáknak. Ő jött rá, hogy áram akkor keletkezik, ha két különböző, érintkezőfémet folyadékba merítünk. Galvani iránti tiszteletből a jelenséget galvanizmusnak nevezte el.

2828

Volta bemutatja találmányát Napóleonnak Párizsban

1801-ben (Festmény, Volta-templom, Como)

Volta a fémeket elsőrendű vezetőnek nevezte és feszültségi sorba rendezte őket, a folyadékokat másodrendű vezetőnek minősítette:Cu, Ni, Fe, Zn, Al

A jó galvánelemhez két, ebben a sorban távoli fémet érdemes választani. (Pl. réz és cink)

A Volta oszlop működésének kémiai alapjait Humphry Davy adta meg

Volta féle egyszerű elem sorba kapcsolása

292929

Elektromágnesség: Oersted Egyenáramú áramkörök, Ohm tv

Ampere mérései

Az egyenáramú áramforrás megjelenésével robbanásszerű kísérletezés indult el.

Faraday

Biot ás Savart törvénye

Maxwell

Hertz

3030

Elektromágnesség: Oersted, Ampere

Hans Christian Oersted (Dánia, 1777-1851)A koppenhágai egyetem tanára. Az áram mágneses hatását 1820-ban fedezte fel. Ez nagy hatással volt a kor többi fizikusára: Ampere, Biot, Savart, Faraday.Az elektromágnesség elnevezés is tőle ered.

Oersted felfedezése az energia egységes koncepciójának kialakulásának útján is mérföldkőnek számít.

.

Volta elem és Oersted kísérlet együtt

Korabeli mérési összeállítás

3131

André-Marie Ampère (Franciaország, 1775-1836)Francia matematikus, fizikus. Az École Politechnique tanára.

Az Oersted eredményei után néhány héttel már további kísérleti felfedezéseket tett.

1. Kimutatta, hogy az áramjárta vezetők között is van kölcsönhatás.

Az áramjárta vezetők az áramirányoktól függően vonzzák vagy taszítják egymást

Roget féle spirális:a tekercs menetei között vonzás lép fel, összehúzódás miatt kiemelkedik a higanyból, az áram megszűnik.

32

2. A függőleges tengely körül forgatható áramjárta tekercs mindig É-D irányba áll be: úgy viselkedik, mint egy mágnes: analógia a köráram és a mágnes viselkedése között.

3. Elemi köráramok feltételezése: 70 évvel az elektron felfedezése előtt megsejtette. (J. J. Thomson (1897).

Ampere kísérleti összeállítása

Egy áramhurok és egy lapos mágnes kívül egyforma mágneses teret hoz létre.

Feltételezte, hogy a permanens mágnesekben az elemi köráramok azonos irányban állnak be.

33

Az áram mértékegységét róla nevezték el:

Egy amper: akkora áram, amely másodpercenként egy Coulomb töltést visz át a vezetőkeresztmetszetén.

4. Szakít a fluidum elmélettel: az áram elektromosan töltött részecskék mozgásával valósul meg.

5. Galvanométert készít az áramerősség mérésére

Elektromágneses (kábeles) távíró is hasonlóelven működött, a jeladó és a jelfogó állomás térben elválasztva kábellel volt ööszekötve.

Morse ABC

34

AZ ELEKTROMOS ÁRAMKÖR TÖRVÉNYE

George Simon Ohm: német fizikus, matematika és fizika tanár Kölnben.Az érdekli, mi a kapcsolat az áram erőssége, a vezető anyaga, illetne a Volta oszlop feszültsége között?„A galvanikus áramkörök matematikai szempontból”c. művében

összegzi, 1827-ben.

A szisztematikus méréseihez különbözőméretű Volta elemet, különböző hosszúságú, szélességű és anyagú fémdrótokat és Ampere féle galvanométert használt.

1. Adott ellenállás esetén hogyan változik az áramerősség a Volta oszlop feszültségével:

2. Adott feszültség esetén hogyan változik az áramerősség a drót méreteitől (L, A)

Ohm törvény ellenállás

35

Michael Faraday: 1791-ben született London mellett kovácsmester fiaként, aki nem tudta iskoláztatni. (Igazi self-maid man)16 éves korában inas lett egy könyvesboltban, majd 6 évig könyvkötő inas. Mindent elolvasott, ami a keze ügyébe került, tudományos könyveket is, akkor, amikor Volta kísérletei ismeretekké váltak.Később bekerült Davy laboratóriumába, ott dolgozott 40 évig.

1. Az elektrolízis felfedezése

AZ ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ FELFEDEZÉSE: FARADAY

Volta elemet épített cinkből és rézlemezből, és kíváncsiságból a két végére kötött rézdrótot beledugta magnézium szulfát oldatba. Az elektródokon heves pezsgést tapasztalt. Szisztematikus vizsgálatokat folytatott különböző fémekkel és oldatokkal.

Faraday I: A leváló vagy oldódó anyag mennyisége arányos a teljes áthaladótöltésmennyiséggel:

Faraday II: Egy mólnyi mennyiség kiválasztásához 96500 C töltés szükséges.Az Avogadró számmal "összekapcsolva": Létezik egy legkisebb töltés:

CC

q19

23106,1

1002,6

96500 −⋅=

⋅=

QktIkm ⋅=⋅⋅=

Elektrolizáló cella : a vezető oldatban lévő elektródok csak a töltéseket

szállítják.

37

2. Az elektromágneses indukció felfedezése

Az a gondolat, hogy a mágnességnek elektromos áramot kell létrehoznia, mert azelektromos áram is hoz létre mágnességet Faraday idejében már a levegőben volt.

Sokan igyekeztek ezt a hatást megfigyelni, de csak statikusan elrendezett mágnesekkel ésdrótokkal, tekercsekkel próbálkoztak, de a mágnes köré tekert vezeték nem gerjesztettszikrát a végek összeérintésekor.

Faraday jött rá arra, hogy az elektromos áram létrehozása dinamikus folyamat, amelyhezvagy a másik áram erősségének a változása, vagy a mágnes helyzetének a változásaszükséges.

Minden idők legnagyobb kísérleti fizikusa.Naplót vezetett, 1832-1856 között több ezer oldalon megfelelő paragrafusszámmal ellátva leírta a kísérleteit.„Experimental Researches in Electricity”

Matematikai műveltsége nem volt. Kísérleteit majdnem elfelejtették, de szerencsére Maxwell felfigyelt rá, és megadta a megfelelőmatematikai leírást a kísérletekhez.

38

Kísérlet a nyugalmi indukció kimutatására

Lágyvas gyűrűn jól elválasztott két térrészben rézdrótokat csavart fel azonos menetirányban.A B oldal végeit összekötötte egy rézdróttal, és egy iránytűt tett alá. Az A részt telepre kötötte. A be és kikapcsoláskor a mágnes kitért, állandó áram esetén visszaállt a nyugalmi helyzetbe.

Ha az A tekercsben megindul vagy megszűnik az áram, akkor rövid ideig áram indukálódik a B tekercsben.Az áram jelenlétét a B tekercsben az alátett mágnes elfordulásával igazolta.

Kísérlet a mozgási indukció bemutatására

Elektromos áramot indukált a tekercsben a mágnes ki-be mozgatásával. Az áramirány a mozgásirány megváltozásával ellenkezőjére fordult.

Az áramot és az áram irányát galvanométerrel mérte.

39

3. Mágneses tér befolyása az optikai jelenségekre: Faraday effektus

4. Elektromos és mágneses erővonalak

Mágneses térbe helyezett átlátszó anyagokban a fény polarizációs síkja elfordul.

Távolhatás helyett un. „csöveket képzelt el a mágnesek és a töltések körül, amelyek mentén történik az erőhatás.

Az elektromágneses mező sejtése! (Maxwell ezt fejlesztette tovább. )

Faraday egyszerű gondolkozásmódja számára tűnt, hogy a „távolbahatásnak” nincsen fizikai értelme.

James Clark Clerk Maxwell (Skócia. 1831.– 1879.)

A XIX. Század legnagyobb elméleti fizikusa, és a klasszikus fizika befejezője.

Edinburghban született, néhány hónappal azután, hogyFaraday közzétette felfedezését az elektromágnesesindukcióról

A XIX. Század legnagyobb elméleti fizikusa, a klasszikus fizika befejezője. Edinburghban, majd Cambridge-ben tanul, majd professzor Aberdeenben. 1865-ben vosszavonulSklóciai birtokára, csak a tudománynak él. 1871-ben meghívják Cambridge-be, a Cavendish laboratórium élére.A Maxwell egyenletek az 1862-ben megjelent „On Physical Lines of force” című cikkében szerepelnek először. 1873-ban jelent meg két kötetben a z „A treatise on electricity and Magnetism” címűkönyve.

Faraday elképzeléseinek matematikai megfogalmazója.

AZ ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK LEÍRÁSA : MAXWELL

A matematika nyelvén fogalmazta meg Faraday elgondolásait az elektromágneses tértermészetéről és törvényeiről.

Általánosította azokat az empirikus tényeket, hogy a változó mágneses tér elektromotoroserőt és elektromos áramot indukál a vezetőkben, valamint hogy a változó elektromos térés az elektromos áram mágneses teret hoz létre.

Az általánosítás eredményképpen megalkotta a később róla elnevezett híresegyenleteket, amelyek a a mágneses tér időbeli változását az elektromos tér térbelieloszlásával kapcsolják össze és fordítva.

Maxwell kimutatta, hogy bár az elektromos és mágneses terek rendszerint elektromosantöltött és mágnesezett testekhez vannak kötve, szabad elektromágneses hullámokként is létezhetnek és terjedhetnek a térben.

Maxwell egyenleteiből le tudta vezetni, hogy a leírt rezgő elektromágneses tér azoszcillátort körülvevő téren át energiát magával vivő hullámok alakjában szétterjed.

Mivel az elektromos erővonalak a dróton átmenő síkban fekszenek, a mágneseserővonalak viszont merőlegesek rá, a hullám elektromos és mágneses vektoraimerőlegesek egymásra és a terjedési irányra is.

A két feltöltött lemezt körülvevő térben sztatikus elektromos tér van, amely a töltések elektromos energiáját valami olyan módon tárolja, mint ahogy egy erősenmeghajlított rugó tárolja a mechanikai energiát.

Amikor áram folyik az egyikből a másikba, akkor a lemezek töltése, és ezzel az őketkörülvevő elektromos tér is, fokozatosan leépül, az áram azonban mágneses teret hozlétre a drót körül. Abban a pillanatban, amikor az elektromos tér 0, a rendszer egészenergiája ebben a mágneses térben van felhalmozva.

A folyamat azonban nem áll meg, az elektromos áram, bár csökkenő intenzitással, de tovább folyik a drótban, és újra feltölti a két gömböt ellenkező előjelűelektromossággal. A mágneses tér energiája újra azelektromos tér energiájává alakul. Végül megszűnik azáram, a gömbök újra fel vannak töltve ugyanannyira, mint kezdetben, de ellenkező előjellel.

A folyamat aztán újra megindul, ellenkező irányban. Az elektromos rezgések folytatódnak oda-vissza, amíga töltést hordó drót felmelegedése által okozottfokozatos energiacsökkenés meg nem állítja a rezgéseket.

Maxwell egyenleteiből le tudta vezetni, hogy a leírt rezgő elektromágneses tér azoszcillátort körülvevő téren át energiát magával vivő hullámok alakjában szétterjed. Mivel az elektromos erővonalak a dróton átmenő síkban fekszenek, a mágneseserővonalak viszont merőlegesek rá, a hullám elektromos és mágneses vektoraimerőlegesek egymásra és a terjedési irányra is.

AdjsdHAg

s ⋅= ∫∫ Ampere féle gerjesztési törvény

∫∫ ⋅=⋅

VA

dVAdD ς Gauss törvény: az elektrosztatikus tér forrásai a töltések

AdBdt

dsdE

Ag

⋅−= ∫∫ Faraday féle gerjesztési törvény

0=⋅∫ AdBA

fluxusmegmaradás

Addt

dAdjsdH

Ag

s ⋅+⋅= ∫∫ Maxwell kiegészítésével az I. törvényI.

II.

III.

IV.

46

Álló tekercsek között forgatják a mágnest. A tekercsekben áram indukálódik.

Váltóáram előállítása, Eszközök: Generátorok, motorok

Egyenáramú motorok. Az egyenáramú generátorok nyugalomban levő armatúrája forgásba jön, ha a gép két sarkára – a fogyasztó helyett – megfelelő feszültségűáramforrást kapcsolunk. Ekkor a gép elektromos energiát alakít át mechanikai munkává, tehát mint elektromotor működik