A KLASSZIKUS FIZIKA KITELJESEDÉSE

Átírás

1 A KLASSZIKUS FIZIKA KITELJESEDÉSE 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 tudományról szólókötet címlapja Az Optika címszó magyarázó ábrái 1

2 1687: Newton Princípiájának megjelenési éve 1820: Oersted felfedezése az áram mágneses hatásáról 1864: Maxwell elektrodinamikája 1870: A statisztikus mechanika kifejlesztése, (Boltzmann) 1925: Kvantumelmélet (Heisenberg) 2

3 A XVIII. századot a kémia századának is nevezik: Boyle, Lomonoszov, Lavoisier, Dalton, Guy-Lussac, Avogadro, Mengyelejev A fizikában: Amechanika a Newtoni életművel kiteljesedett egy időre, azoptika 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. 3

4 ELEKTROMOSSÁG - MÁGNESSÉG AXVIII. sz. közepéig a mechanika és a fénytan mellett az elektromosság és mágnesség eléggéa kezdeteknél járt még, csak kvalitatív kísérletek folytak. A kvalitatív elektrosztatikai vizsgálatok a XVIII. század első felében mentek végbe. A szereplők: William Gilbert, StephanGray, 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 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 4

5 Görögök:Az alapjelenségeket már az ókori görögök is ismerték, tőlük jött az elnevezés Borostyán (gyanta) elektron, mágneskő magnetit Elemi mágneses tulajdonságok Az első felfedezések Kínaiak: iránytű: i.sz. VI. sz. jövendőmondókanál szent kőből v. kristályból (jade, hegyikristály). A mágneskőbőlkészült megpörgetett kanál mindig ugyanott áll meg ( Gromantikus asztal ). Hagyományos kínai iránytű Európában az iránytű nagyon lassan terjedt el, kb körül. Korábban navigációra a madarak repülési irányát is használták a szárazföldek felkutatásakor. (Pl. Izland felfedezése, hollók röptetése) 5

6 Petrus Peregrinus(Pierre de Maricourt): 1260 körül Elsőtudományos értekezés a mágnesről: két pólusvan, kettévágva a mágnest két mágnes lesz, mindegyiknek két-két pólusa van. Mágnességet indukál Robert Norman: The News Attractive, 1581 mágneses lehajlás(inklináció) Az iránytűkészítése: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 lefeléis hajlik. A mágnestűnemcsak északra, hanem lefelé is mutat. Ezt a jelenséget a hajósok is felfedezték. 6

7 Sir William Gilbert ( ) Anglia Erzsébet Királynő udvari orvosa, Galilei kortársa Kísérletek a mágnesek kölcsönhatására vonatkozóan: de Magnete című műve, 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 iránytűkkel tapogatta le. A kis tűk mindig a gömb mágneses pólusait összekötőfőkör irányába, álltak be, hasonlóan ahhoz, ahogy az iránytűk hajózáskor a Föld felszínének különböző pontjain beállnak. Ebből arra következtetett, hogy a Földet óriás mágnesnek lehet tekinteni. 7

8 További megfigyelései: megadja a pólusok közötti erőhatás jellegét, beszél mágneses vonzó- és taszítóerőről a két pólus nem választhatóel egymástól: kettétörve egy mágnest a felekből is kétpólusú mágnesek lesznek izzítással a mágnesesség megszűnik ha az izzóacélrúd észak -déli irányba állítva hűl ki, mágneses lesz megállapítja a mágnestűvízszinteshez 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. 8

9 Elektromosságtani megfigyelései vannak a borostyánhoz hasonlóan dörzsöléssel elektromossátehetőanyagok: 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 9

10 Stephen Gray: (Anglia, ) Az elektromos vezetés felfedezője 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 üveget dörzsöléssel feltöltötte, a hozzáérintkeződugón keresztül a fémszög is feltöltődött. A töltéseket nedves kötözőzsinór több száz méterre elvezette. 10

11 Otto von Guericke (Németország) Elektromosságtani kísérletek, kétféle elektromosság van, megosztás jelensége Elektromos megosztás:a megdörzsölt borostyánkőa könnyűtárgyakat magához vonzza, majd elengedi. A könnyűtárgyak ezután taszítják egymást. Kétféle elektromos fluidum van: az azonosak taszítják egymást, a különbözők vonzzák A semleges anyagokban mindkét fluidum egyenlő mértékben van jelen. Az elektromos fluidumot át lehet vinni egyik testről a másikra nemcsak közvetlen érintkezéssel, hanem pl. összekötőfémrúddal, vagy nedves kötéllel is. 11

12 Charles François de Cisternay du Fay (Franciaország, ) Kétféle elektromosság van Folytatta Gray kísérleteit, és 1733-ban arra a következtetésre jutott, hogy a dörzsöléssel elektromos állapotba hozott tárgyak egymásra vonzóvagy taszítóhatással vannak. Ezért az anyagokat kétféle csoportba sorolta: az egyik csoportban lévőanyagok úgy viselkednek, mint a gyanta (borostyán), ezeket gyanta elektromos anyagoknak nevezte, a másik csoportban lévőanyagok pedig úgy, mint a megdörzsölt üveg, ezek lettek az üveg elektromos anyagok. Elkezdtek játszadozni a szikrákkal, valódi hatásokat tudtak produkálni. Fényes szikrákat pattogtattak, két egymás kezét fogóembert egyszerre érhetett áramütés. ( elektromozó gépek ) Az orvoslásban elkezdték alkalmazni: pl.bénulásosesetekben, elektrosokk Az elektromosság nagy sikert aratott, mindenki beszélt róla. 12

13 Dörzs elektromos gépek: töltések szétválasztása Elektroszkóp, leydenipalack: töltések kimutatása Guericke dörzselektromos gépe Az elsősztatikus elektromosságot szolgáltató berendezést Otto von Guericke készítette még a XVII. században.a kéngömbbel működő dörzselektromos gépet később Hausentökéletesítette: a gép forgóüveggömbje 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 Evolutionof Chemistry nyomán) 13

14 Elektrosztatikus kísérleti eszközök Francis Hauksbee( ), Angol kísérleti fizikus, Newton laboratóriumi Asszisztense Elektroszkóp Otto von Guericke Az első dörzselektromos gép Pieter(Petrus) van Musschenbroek( ) holland természettudós Leydeni palack: az első első kondenzátor 14

15 Leydeni palack: a felfedezés története: Musschenbroeküvegpalackba 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 vezetőrendszerhez, és így egy erős áramütést kapott. Leydeni palack 15

16 Benjamin Franklin ( , Amerika), Politikus, író, feltaláló 40 évesen kezdett el tudománnyal foglalkozni. Ötletes kísérletező. Tanulmányait kötetbe gyűjtötte össze. Őaz elsőamerikai tudós, aki érdemben beleszólt az európai tudomány fejlődésébe. Pozitív-negatív elnevezés és az elektromosan töltött kifejezés tőle származik. A villám elektromos voltának bizonyítására vonatkozókísérlet: a viharos felhőkbe nedves kötéllel feleregetett sárkány segítségével feltudta tölteni a leydeni palackját. Csúcshatás:Franklin állapította meg azt a tényt, hogy hegyes fémtűsegítségével 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. 16

17 A villám elektromos kisülés Egy-fluidum elmélete Az üvegelektromosságot elnevezte pozitívnak. Ez az egyetlen elektromos fluidum: ha fölös mennyiségben van, akkor pozitív töltésűa 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 17

18 Franklin egyetlen töltésfajtát tételezett fel; ezt azonosította a Dufayáltal 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, -pozitív elektromossággal-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 leírás Kétféle elektromosságot feltételezve, a Newton féle gravitációs törvény hatására többen azt feltételezték, hogy az erőhatás mindkét töltéssel arányos, tehát arányos a töltések szorzatával. 18

19 Az elektromos erőtörvény Newton nyomán a töltött testek között távolba hatóerők törvényszerűségeit keresték. Ehhez a törvényszerűséghez négyen is eljutottak egymástól függetlenül: Priestley, Cavendish, Robison és végül, akiről a törvényt elnevezték: Coulomb. Priestleyaz 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 észlelhetőelektromos erőhatás. A felületen elhelyezkedőtöltések azonban csak akkor rontják le egymás hatását egy zárt felület belsejében levőpontban, ha az erőhatás a távolság négyzetével fordítvaváltozik. Teljesen hasonlógondolatmenettel 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 kutató agyában; Cavendish hivatkozik arra, hogy a torziós mérleg ötletét, sőt a torziós mérleg első példányát Michelétiszteletestől kapta. 19

20 Henry Cavendish ( ) Anglia Emberkerülő, magányos tudós. Birtokán visszavonultan élt, alapvető elektrosztatikai jelenségekkel foglalkozott. A villamosság történetében sokkal nagyobb helyet érdemelne, ha tudományos eredményeit időben publikálta volna. Erre csak 100 évvel később, 1879-ben került sor. Villanyozottságifok (potenciál): érintkezővezetők azonos potenciálon, Kapacitás fogalma, dielektrikumok tulajdonságát is vizsgálta Anyagok vezetőképessége. A gravitációs állandót először mérte ki a torziós ingával. Cavendish torziós ingája Cavendish laboratórium: emlékére 1871-ben alapította egy leszármazottja a Cambridge-i egyetem rektoraként. 20

21 Cavendish nem beszél potenciálról, hanem "villanyozottság fokról": ha összeköt egy vékony vezetékkel két fém vezetőt, akkor beszél a két fém vezetőegyforma villanyozottságifokáról. Ma egyszerűen úgy mondjuk, hogy a két vezetőt azonos potenciálra hoztuk. Cavendish felveti a kérdést, hogy hogy aránylik ilyenkor a két vezetőtöltése. Amikor ezt a töltésarányt meghatározta, akkor tulajdonképpen a két vezető kapacitásának arányát határozta meg. Cavendish a dielektrikumok tulajdonságát is vizsgálta. Megállapította, hogy megváltozik a vezető töltésbefogadó képessége, ha a környezetét különböző szigetelőanyaggal 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 különböző anyagokon keresztül érintve meg a feltöltött leideni palack két elektródáját, mekkora áramütést kapott. Az áramütés szubjektív érzetéből következtetett a vezetőképesség számszerű értékére. 21

22 Az elektromos és mágneses erőtörvény Előzmény: Franklin,Priestleyés Cavendish tapasztalatai: a vezetőtöltése teljes egészében a felületen helyezkedik el, belseje viszont mentes az elektromos hatástól: F Auguste Coulomb: méréssel igazolja a törvényt A gömbökön lévőelektromos töltés és a gömbök távolságának változtatásával kimérte a törvényt (1786) 1 R 2 F = k Q 1 Q R 2 2 k értéke, ha a töltés mértékegysége az SI mértékegységben van megadva: : k = Nm 2 C 2 Coulomb torziós mérlege 22

23 Charles Augustin Coulomb ( ) Francia fizikus, hadmérnök. Párizsban folytatott fizikai és matematikai tanulmányokat 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 megbízóminiszter ült a bársonyszékben, és a tudós érdemeit nem méltányolta. Ettől kezdve főleg a tudománnyal foglalkozott vidéki birtokán. Coulomb a gépek súrlódását, a szélmalmokat, a fémés 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. Coulomb mágneses mérlege 23

24 Az elektrosztatika törvényei 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 nagykorúés matematikai fejlettségében is egyenrangútársa a mechanikának. A magnetosztatikaszámára ugyancsak Poisson végezte el a nagykorúsítást 1824-ben. Az elektrosztatikát végül is Greenés Gauss öltöztette mai alakjába. Gauss tétel (forráserősség) Konzervatív tér, örvényerősség 24

25 Egyenáramú áramforrás előállítása : Volta, Galvani Alessandro Volta ( ) Itália a Paviai egyetem fizika professzora, majd rektora, Galvani barátja. Találmánya bejelentése előtt 22 évet töltött a Páviai Egyetemen, mint a kísérleti fizika professzora, természetesen ismerte kora tudományos eredményeit, sőt az addigiaknál hatásosabb elektrosztatikus gépet is szerkesztett. A Voltaoszlop megalkotásához azonban Luigi Galvani bolognai professzor békacomb kísérletei vezették el. Az elektrosztatikus vizsgálatoknál nyilvánvalóvolt, 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 kellőerősségben állandótöltésáramlás állt rendelkezésre. Az áttörést ezen a téren az 1800-as esztendőhozta meg. Ekkor jelentette be Alessandro Voltaegy levélben a londoni Royal Society elnökének találmányát, amelynek segítségével állandó egyenáramot lehetett előállítani. 25

26 Volta találmányának előzményei 1780-ra nyúlnak vissza. Luigi Galvani( ) a bolognai egyetem anatómia professzora kísérlete szerint egy vas-ággal és réz-ággal bíró villával 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 következőréz és cink korong, közte sóoldatba mártott szövetréteg. Folyamatosan termelt áramot. A modern villamos elemek prototípusa 26

27 Luigi Galvani(Bologna, ) 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 közvetítőanyag, 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, érintkező fémet folyadékba merítünk. Galvani iránti tiszteletből a jelenséget galvanizmusnak nevezte el. 27

28 Voltaa fémeket elsőrendűvezetőnek 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 Volta bemutatja találmányát Napóleonnak Párizsban 1801-ben (Festmény, Volta-templom, Como) 28

29 Az egyenáramú áramforrás megjelenésével robbanásszerű kísérletezés indult el. Elektromágnesség: Oersted Egyenáramú áramkörök, Ohm tv Ampere mérései Biot ás Savart törvénye Faraday Maxwell Hertz 29

30 Elektromágnesség: Oersted, Ampere Hans Christian Oersted (Dánia, ) A koppenhágai egyetem tanára. Az áram mágneses hatását 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 egységeskoncepciójának kialakulásának útján is mérföldkőnek számít.. Volta elem és Oersted kísérlet együtt Korabeli mérési összeállítás 30

31 André-Marie Ampère(Franciaország, ) 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 Rogetféle spirális:a tekercs menetei között vonzás lép fel, összehúzódás miatt kiemelkedik a higanyból, az áram megszűnik. 31

32 2. A függőleges tengely körül forgathatóáramjárta 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). Egy áramhurok és egy lapos mágnes kívül egyforma mágneses teret hoz létre. Ampere kísérleti összeállítása Feltételezte, hogy a permanens mágnesekben az elemi köráramok azonos irányban állnak be. 32

33 4. Szakít a fluidum elmélettel: az áram elektromosan töltött részecskék mozgásával valósul meg. Az áram mértékegységét róla nevezték el: Egy amper: akkora áram, amely másodpercenként egy Coulomb töltést visz át a vezető keresztmetszetén. 5. Galvanométert készít az áramerősség mérésére Elektromágneses (kábeles) távíró is hasonló elven működött, a jeladóés a jelfogóállomás térben elválasztva kábellel volt ööszekötve. Morse ABC 33

34 AZ ELEKTROMOS ÁRAMKÖR TÖRVÉNYE George Simon Ohm: német fizikus, matematika és fizika tanár Kölnben. Az érdekli, mi a kapcsolat az áram erőssége, a vezetőanyaga, illetne a Volta oszlop feszültsége között? A galvanikus áramkörök matematikai szempontból c. művében összegzi, 1827-ben. A szisztematikus méréseihez különbözőméretűvolta elemet, különbözőhosszúságú, 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 34

35 AZ ELEKTROMÁGNESES INDUKCIÓ FELFEDEZÉSE: FARADAY 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 könyvkötőinas. 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 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 különbözőfémekkel és oldatokkal. Faraday I: A leváló vagy oldódó anyag mennyisége arányos a teljes áthaladó töltésmennyiséggel: m = k I t = k Q Faraday II: Egy mólnyi mennyiség kiválasztásához C töltés szükséges. Az Avogadrószámmal "összekapcsolva": Létezik egy legkisebb töltés: q = C = 1, , C 35

36 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 az elektromosáramis hozlétremágnességetfaraday idejébenmára levegőbenvolt. Sokan igyekeztek ezt a hatást megfigyelni, de csak statikusan elrendezett mágnesekkel és drótokkal, tekercsekkel próbálkoztak, de a mágnes köré tekert vezeték nem gerjesztett szikráta végekösszeérintésekor. Faraday jött rá arra, hogy az elektromos áram létrehozása dinamikus folyamat, amelyhez vagy a másik áram erősségének a változása, vagy a mágnes helyzetének a változása szükséges. Minden idők legnagyobb kísérleti fizikusa. Naplót vezetett, között több ezer oldalon megfelelőparagrafusszámmal 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. 37

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, állandóáram 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. 38

39 39

40 3. Mágneses tér befolyása az optikai jelenségekre: Faraday effektus Mágneses térbe helyezett átlátszó anyagokban a fény polarizációs síkja elfordul. 4. Elektromos és mágneses erővonalak Faraday egyszerűgondolkozásmódjaszámáratűnt, hogya távolbahatásnak nincsen fizikai értelme. Távolhatás helyett un. csöveket képzelt el a mágnesek és a töltések körül, amelyek mentén történik az erőhatás. Az elektromágneses mezősejtése! (Maxwell ezt fejlesztette tovább. )

41 AZ ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOK LEÍRÁSA : MAXWELL James Clark Clerk Maxwell(Skócia ) A XIX. Század legnagyobb elméleti fizikusa, és a klasszikus fizika befejezője. Edinburghban született, néhány hónappal azután, hogy Faraday közzétette felfedezését az elektromágneses indukcióról A XIX. Század legnagyobb elméleti fizikusa, a klasszikus fizika befejezője. Edinburghban, majd Cambridge-ben tanul, majd professzor Aberdeenben ben vosszavonul Sklóciaibirtokára, csak a tudománynak él ben meghívják Cambridge-be, a Cavendish laboratórium élére. A Maxwell egyenletek az 1862-ben megjelent OnPhysicalLinesof force címűcikkében szerepelnek először ban jelent meg két kötetben a z A treatise on electricity and Magnetism című könyve. Faraday elképzeléseinek matematikai megfogalmazója.

42 A matematika nyelvén fogalmazta meg Faraday elgondolásait az elektromágneses tér természetérőléstörvényeiről. Általánosította azokat az empirikus tényeket, hogy a változó mágneses tér elektromotoros erőt és elektromos áramot indukál a vezetőkben, valamint hogy a változó elektromos tér és az elektromos áram mágneses teret hoz létre. Az általánosítás eredményképpen megalkotta a később róla elnevezett híres egyenleteket, amelyek a a mágneses tér időbeli változását az elektromos tér térbeli eloszlásával kapcsolják össze és fordítva. Maxwell kimutatta, hogy bár az elektromos és mágneses terek rendszerint elektromosan töltöttésmágnesezetttestekhezvannakkötve, szabadelektromágneseshullámokkéntis létezhetnek és terjedhetnek a térben. Maxwell egyenleteiből le tudta vezetni, hogy a leírt rezgő elektromágneses tér az oszcillátortkörülvevőtérenátenergiátmagávalvivőhullámokalakjábanszétterjed. Mivel az elektromos erővonalak a dróton átmenő síkban fekszenek, a mágneses erővonalak viszont merőlegesek rá, a hullám elektromos és mágneses vektorai merőlegesekegymásraésa terjedésiirányrais.

43 A kétfeltöltött lemeztkörülvevőtérbensztatikuselektromostérvan, amelya töltések elektromos energiáját valami olyan módon tárolja, mint ahogy egy erősen meghajlítottrugótároljaa mechanikaienergiát. Amikor áramfolyikaz egyikbőla másikba, akkor a lemezek töltése, ésezzelazőket körülvevő elektromos tér is, fokozatosan leépül, az áram azonban mágneses teret hoz létre a drót körül. Abban a pillanatban, amikor az elektromos tér 0, a rendszer egész energiájaebbena mágnesestérbenvan felhalmozva. A folyamatazonbannemállmeg, azelektromosáram, bárcsökkenőintenzitással, de továbbfolyika drótban, és újra feltölti a két gömböt ellenkező előjelű elektromossággal. A mágneses tér energiája újra az elektromos tér energiájává alakul. Végül megszűnik az áram, a gömbökújrafelvannaktöltveugyanannyira, mint kezdetben, de ellenkező előjellel. A folyamataztánújramegindul, ellenkezőirányban. Az elektromos rezgések folytatódnak oda-vissza, amíg a töltést hordó drót felmelegedése által okozott fokozatosenergiacsökkenésmeg nemállítjaa rezgéseket.

44 Maxwell egyenleteiből le tudta vezetni, hogy a leírt rezgő elektromágneses tér az oszcillátortkörülvevőtérenátenergiátmagávalvivőhullámokalakjábanszétterjed. Mivel az elektromos erővonalak a dróton átmenő síkban fekszenek, a mágneses erővonalak viszont merőlegesek rá, a hullám elektromos és mágneses vektorai merőlegesekegymásraésa terjedésiirányrais.

45 g H s d s = A j d A Ampere féle gerjesztési törvény I. g H s d s = A j d A + d dt d A Maxwell kiegészítésével az I. törvény II. g Ed s d = B d A dt A Faraday féle gerjesztési törvény III. B d A A = 0 fluxusmegmaradás IV. A D d A = ς dv Gauss törvény: az elektrosztatikus tér forrásai a V töltések

46 Váltóáram előállítása, Eszközök: Generátorok, motorok Álló tekercsek között forgatják a mágnest. A tekercsekben áram indukálódik. Egyenáramúmotorok. Az egyenáramúgenerátorok nyugalomban levőarmatúrája forgásba jön, ha a gép két sarkára a fogyasztó helyett megfelelő feszültségű áramforrást kapcsolunk. Ekkor a gép elektromos energiát alakít át mechanikai munkává, tehát mint elektromotor működik 46