Az elektro^indaktív taszításról.*

Átírás

1 AZ ELEKTRO-INDUKTÍV TASZÍTÁSRÓL. Máskép viselkednek azok az üszökfajok, a melyek nem csak a magszemben élnek, hanem más növényrészeket is m egtám adnak, mint pl. a kukoricza-üszök: ennél az infekczió mindig helyhez kötött s az üszökcsirák mindig ott fejlődnek ki, a hova befúródtak; a növények pedig mindaddig fogékonyak az infekczió iránt, a míg új, fiatal részeket hajtanak. D r.. I s t v á n f f i G y u l a. Az elektro^indaktív taszításról.* Ha váltakozó mágneses térbe elektromos vezetőt teszünk, ez a vezető taszíttatik. Ezt a jelenséget, melyet első megfigyelőjétől Elihu Thomson tanártól elektro-induktív taszításnak** neveznek, példában kisérleti úton úgy mutathatjuk be, hogy elektromágnesre zárt vezetőt, nevezetesen nagy keresztmetszetű rézgyűrűt helyezünk; ha most az elektromágnest váltakozó áramú dinamógéppel működésbe hozzuk s ez által váltakozó mágneses teret teremtünk, a gyűrű erélyesen taszíttatik és I-gyel jelzett helyzetéből II felé száll (i. ábra). i mágneshez fokozatosan és pedig oly helyzetben közelítjük, hogy a két szerkezet geometriai tengelye egybeeső: a lámpa szénfonala izzani kezd (2. ábra). A mágneses teret azzal erősítve, hogy az elektromágnes vasmagvát kovácsolt vasdarabbal megtoldjuk (a): a gerjesztett áram is erősödik, a mint azt a lámpa fényének a, vakító fehérségű izzásig való fokozódása nyilván mutatja. Eme tapasztalás alapján a taszító hatás okát a váltakozó mágneses tér és a belé vitt vezetőben gerjesztett áram kölcsönös hatásában fogjuk keresni. A kölcsönös hatásnak részletesebb I. ábra. Mielőtt az elektro-induktív taszítást más példákkal illusztrálnék, iparkodjunk a jelenségnek magyarázatát adni. A váltakozó mágneses tér, a belé tett zárt vezetőben áramot gerjeszt. Ezt szembeszökő módon úgy mutathatjuk meg, hogy elszigetelt köralakú drótmenetekből készült tekercs zárókörébe izzólámpát kapcsolunk; a mint ezt a tekercset a váltakozó áramú elektro- 2. ábra. tárgyalására az áramgerjesztésnek Faraday-féle törvényét, meg Ampérenek az áramok elektrodinamikai hatására vonatkozó tételét fogjuk egybevetni. Faraday fölfedezése szerint a primaer áram és vele a létre jött mágneses tér erősségének a növekedése a sekundaer * Előadatott a Természettudományi vezetőben ellenkező értelmű, a primaer Társulat 1891 februárius 18-iki szakülésén. áram és vele a mágneses tér erősségének csökkenése a sekundaer vezetőben ** Flem ing: Prof. Elihu Thomson s Elektromagnetic induction experiments; The Electrician vol. X X V. and X X V I. egyértelmű áramot gerjeszt. 1890, Emlékezzünk vissza Ampére-nek az

2 166 WITTMANN FERENCZ áramok elektrodinamikai hatására vonatkozó tételére, a mely szerint párhuzamos egyirányú áramok egymást vonzzák, párhuzamos, de ellenkező irányú áramok egymást taszítják. Az említett két tétel helyességét számos tapasztalás alapján elismervén, várhatjuk, hogy ha az elektromágnes meneteiben keringő áramot és vele a teremtett mágneses teret erősítjük, a közelített vezetőben gerjesztett ellenkező értelmű áram meg a primaer áram dinamikai hatása taszítást fog eredményezni; analóg módon a primaer áram és vele a mágneses tér gyengülése a közelített vezetőben egyértelmű áramot gerjeszt s ennek a két áramnak a kölcsönös hatása vonzás lesz. Hogyha tárgyalásunkban ezentúl akár a primaer áramról, akár pedig mágneses terének hatásáról fogunk szólam, ugyanegy fogalmat fűzünk hozzá; mert az áramot hatásában mindig mágneses térrel helyettesíthetjük, a melynek 3. ábra. erősségét a primaer vezeték vasmagva által határozott mértékben fokozottnak tételezzük fel; viszont a mágneses teret árammal helyettesíthetjük. Ezek után lássuk a fennebbi tételek kísérleti igazolását. Az elektromágnes sarkvége közelében rövid szálra rézgyűrűt függesztünk ; ha az elektromágnest galvánbattéria kö^ rébe igtatjuk s az utóbbit zárjuk, vagyis a mágneses térnek erősségét zérusról bizonyos értékre növeljük, a zárás rövid időtartama alatt a taszító hatás abban nyilvánul, hogy a gyűrű jobbra kibillen (3. ábra); csakhamar nyugalmi helyzetébe visszatér és itt vesztegel mindaddig, míg a mágneses tér erőssége változatlan. Ha erre az áramot megszakítjuk, tehát a mágneses tér erősségét kezdeti értékéről zérusig csökkentjük, a vonzás jeléül a gyűrű balra billen. Kellő időközökben zárva és megszakítva az áramot, a gyűrűt inga módjára lengésben tarthatjuk. De vájjon mi történik akkor, ha a mágneses tér erősségét oly gyorsegymásutánban változtatjuk, hogy a változások időközei a szálra függesztett gyűrű lengésidejéhez képest rövidek s ez okból a gyűrű az egyenlő időközi taszító és vonzó impulzusokat nem követheti? Csupán az eddig tárgyalt jelenségeket vevén figyelembe, azt hinnők, hogy a gyűrű kezdeti nyugalmi helyzetében megmarad; de a tapasztalás nem ezt mutatja. Igtassuk ugyanis be elektromágnesünket a váltakozó áramú dinamógép zárókörébe, akkor a működö elektromindító erőt, igen nagy megközelítéssel, az egyszerű harmonikus mozgás törvénye szerint változónak tételezhetjük fel s az elektromágnes menetein, kisérleti berendezésünk szerint 0 02 másodpercznyi időszakaszok szerint váltakozó áram fog átmenni. A gyűrű taszíttatik, jobbra billen s ebben a taszító hatásra valló helyzetében mindaddig megmarad, míg a váltakozó mágneses tér hatásos. Ennek a ténynek magyarázatára figyelembe kell vennünk a mit eddig nem tettünk a változó mágneses térbe vitt vezetőben keletkező önindukcziót. Értjük ez alatt a Faraday megvizsgálta azon jelenséget, hogy minden vezetőben, a benne működő változó elektromindító erő következtében, az anyagi minőségétől, alakjától és méreteitől függő ellen-elektromindító erő keletkezik a melynek következtében a zárt vezetőben gerjesztett áram, az elektromindító erőhöz képest fázisban elmarad, azaz időben késik. Ennek analogonja megvan a mechanikában is a tehetetlenségben, a mely a mozgásállapot változását késlelteti. A 4-ik ábrában e a sinus görbe szerint változó elektromindító erőt,

3 AZ ELEKTRO-INDUKTÍV TASZÍTÁSRÓL i szintén a sinus törvény szerint változó áramerősséget m utatja; a hullámhosszaik egyenlők, de fázisuk különböző ; az abscissán a fázis idők, ordinaták gyanánt pedig az illető fázisoknak megfelelő elektromindító erők, illetőleg intenzitások vannak felrakva. Ily időszakosan változó áramok lefolyását kisérleti úton a Siemens-féle telefonnal mutathatjuk ki (5. ábra). Ha a telefon dróttekercsén vezetjük a változó áramot, akkor a kerületi pontjaiban megrögzített köralakú rugalmas vaslemez, az áram okozta változó mágneses térben az áramperiódusnak megfelelő rezgésbe jön, miközben a rezgő 4. ábra. lemeznek a nyugalmi helyzettől való kitérése az áramerősséggel arányosnak fog mutatkozni. A rezgő lemez mozgásának nagy skálára való átvitelére a lemez közepes helyére ráforrasztjuk a derékszög alatt kétszer meghajlított drótnak egyik végét, míg a másik végét a lemez fölé átszögellőn alkalmazott hídhoz erősítjük. A meghajlított drót tükörrel van fölszerelve s hogy a lemez helyzetváltozását híven követhesse, a drót három helyen papirvastagságra van kireszelve. Az áramgörbe optikai előállítására keskeny fénynyalábot vetünk a vízszintes tengely körül mozgó telefontükörre, a visszavert nyalábot pedig függélyes tengely körül forgó sokszögű tükörre (6. ábra), és innét ernyőre tereljük. Ha a váltakozó áramot ilyen mérőtelefon tekercsén átvezetjük, akkor a telefonlemez, rezgését a tükör fölszerelésével közli s az álló sokszögű tükörről visszavert fénynyaláb az ernyőn fü g g é lyes fényvonalkínt fog mutatkozni; másrészt ha a telefon tükre mozdulatlan, de a sokszögű tükröt függélyes tengely körül forgatjuk, akkor az előbbi fénynyaláb a tükörfelületek elvonulása közben más-más szöglettel vetődik be és az ernyőn a tükör kellő forgássebességé-

4 168 WITTMANN FERENCZ nél a fénybehatás tartósságánál fogva, fekmentes fétiyvonalat látunk. Ha végre a telefon tekercsén időszakos áramot vezetünk keresztül és egyidőben a sokszögű tükröt elektromótorral egyenletes forgásban tartjuk, akkor a fennemlített két egymásra merőleges mozgás eredőjeként az ernyőn az áramjelenet időbeli lefolyását mutató görbét fogjuk kapni. Abból a czélból azonban, hogy az áram-görbe az ernyőn mozdulatlanul, egy helyen maradjon, a sokszögű tükör forgássebességét úgy kell beigazítanunk a hajtó elektromotor járásának szabályozása által, hogy azaz idő, míg egy tükörfelület a megelőzőnek helyére jut, az áramperiódus tartamának egész számú sokszorosa legyen. A 7. ábra mutatja a kisérleti berendezést, midőn az elektromindító erő és intenzitásnak megfelelő görbéket egy időben, relatív helyzetükben kívánjuk előállítani. A beeső fénynyaláb egy részét 6. ábra. a T2, kis síktükör által kezdeti irányá- tói eltérített, másik részét az T i telefon tükrére, végre a sokszögű tükörre vetjük és a telefonokat úgy helyezzük el, hogy a mozdulatlan sokszögű tükörtől az ernyőre terelt fénynyalábok egymást fedő fénypontokat mutassanak. A T i telefon az elektromindító erő görbéjét adja, ha a váltakozó áramú gép zárókörének oly két pontjához kapcsoljuk, a melyek között a vezetőt gyakorlati értelemben önindukczió nélkülinek tartjuk. Az intenzitás görbéjét a T2 telefon szolgáltatja, midőn azt a tetemes önindukczióval biró elektromágnes mellé kapcsoljuk. Ezek után lássuk az elektro-induktív taszításnak magyarázatát. Elméleti és kisérleti vizsgálatok arra az eredményre vezettek, hogy a váltakozó mágneses teret okozó (»i) áram a közelített vezetőben oly (E-i) elektromindító erőt gerjeszt, a melynek lefolyása a primaer áram származtatott görbéjének (deriváltja) törvényét követi (8. ábra); de magában a sekundaer vezetőben az áram az elektromindító erőhöz képest

5 AZ ELEKTRO-INDUKTÍV TASZÍTÁSRÓL ábra.

6 WITTMANN FERENCZ tázisban elmarad, tehát egyrészt a mágneses tér erősségét (ir), másrészt a gerjesztett áramot (i») viszonylagos helyzetükben a 9. ábrában tüntethetjük fel. Vegyük figyelembe, hogy Ampére szerint azon erő, a mellyel a mágneses tér a közelített vezetőre hat, minden pillanatban arányos a hatásos mágneses tér erősségének és a vezetőben gerjesztett áramerősségnek szorzatával. Szorozzuk meg a fekmentes egyes pontjaira nézve a két görbe ordinátájának mérőszámát, ügyelve arra, hogy a párhuzamos áramok közül az ellenkező irányúak taszítják, az egyirányúak pedig vonzzák egymást; ha most az illető pontokban ezeket a szorzatokat új ordinátákul felrakjuk, a végpontjaikat összekötő (P) görbe a sekundaer vezetőre működő erőt ábrázolja (9. ábra). Továbbá a mechanika elvei szerint az erőgörbe és az időt mint abscissát jelentő fekmentes közé zárt terület, az erő időintegrálját vagyis a sekundaer vezetőre ható impulzust adja; az ábra mutatja, hogy a gerjesztett áram egy teljes periódusának négy impulzus felel meg, a melyek közül kettő taszító, kettő pedig vonzó. Tehát a váltakozó áramú elektromágnessel szembe tartott vezető gyorsan váltakozó taszító és vonzó impulzusoknak van kitéve. Az időszakasz, a mely alatt az áramok ellenkező iránya miatt taszítás van, meghosszabbodott azon időszakasz rovására, a melyen belül az áramok egyenlő iránya miatt vonzás van és a taszító hatás túlnyomó. E taszító hatás időszaka a primaer áram zérusától a sekundaer áram zérusáig, míg a vonzás időszaka a sekundaer áram zérusától a primaer áram zérusáig terjed. De arra az eredményre, hogy a taszító hatás túlnyomó, a fáziskülönbségnél még fontosabb az a tény, hogy a taszítás időszakasza alatt a primaer és sekundaer áramerősségeknek legnagyobb az értékük, míg a vonzás időszakaszában aránylag kis értékűek, más szóval a taszításoknak megfelelő időszakaszok tartalmazzák az összes maximumokat, míg a vonzás időszakaszában ilyenek nem mutatkoznak. Végeredményben a túlnyomó taszítást, az ellenkező irányú erős áramok összes hatása okozza, hosszabb időszakaszban való működéssel: az egyirányú gyenge áramok Összes vojizó hatása ellenében, a melynek időszakasza rövidebb. A mérőtelefonokkal és forgó sokszögű tükörrel való kisérleti berendezést felhasználhatjuk a tárgyalt három görbe egyidejű optikai előállítására (10. ábra). A váltakozó mágneses teret úgy te-

7 AZ ELEKTRO-INDUKTÍV TASZÍTÁSRÓL. 171 remtjük, hogy az elektromágnest váltakozó áramú dinamogép zárókörébe kapcsoljuk ; a mágneses tér erősségének változása az áramerősség változásával arányos lévén, a tükörrel fölszerelt Ti telefont a zárókör önindukczió nélküli részébe igtatván, az ernyőn a mágneses tér erősségét mutató zi görbét kapjuk.. Az elektromágnes sarkvége elé elszigetelt drótból való kis tekercs van rugóra erősítve; e vezetőben gerjesztett áramot a T t mérőtelefonba vezetvén, az ernyőn z'2 görbe mutatkozik. Végre az elektro-induktív taszításnak megfelelő görbét úgy kapjuk, hogy az r tekercset tükörrel látjuk el és a megosztott fénynyaláb egy részét erre A korong alá vitt váltakozó mágneses sark taszítást okoz, a melyet a korong oldalán levő mérlegkarra alkalmazandó súllyal kiegyenlíthetünk; így kimutathatjuk, hogy a kisebb elektromos ellentállású rézkorongra nagyobb taszító erő hat mint például a vele egyenlő méretű zinkkorongra (11. ábra). Az elektro-induktív taszítás illusztrálására szolgáljanak a következő kísérletek : A váltakozó mágneses sark fölé helyezett rézgyűrű taszíttatik (12. ábra). Ha két egymásra helyezett, egyenlő rézgyűrűt teszünk a mágnessark fölé, a két gyűrűben gerjesztett áramok minden pillanatban egyenlő irányúak lévén, a gyűrűk egymást vonzzák, de együttesen eltaszíttatnak, minthacsak egy gyűrűt képeznének. 11. ábra. terelvén, innét a forgó sokszögű tükörre, végre az ernyőre vetjük. A váltakozó mágneses tér, a rúgós megerősítéssel fölszerelt tekercsre túlnyomóan taszításban nyilvánuló időszaki impulzusokkal hat, a melyek az egyenletesen forgó sokszögű tükör mozgásával kombinálva, az ernyőn P görbét származtatnak. Az elektro-induktív taszítás a közelített vezető ugyanazon alakja és méretei mellett még annak anyagi minőségétől is függ; ezt kísérlettel következőképen igazolhatjuk: A vizsgálandó vezetőből való korongot a mérlegkar egyik végére függesztjük és a szerkezetet súlyegyenbe hozzuk. 12. ábra. Rézkorongot a váltakozó mágneses sark fölött lebegésben tarthatunk; ez a jelenség a korong oly helyzetében fog mutatkozni, a melyben a taszító hatás egyensúlyt tart a nehézségi erővel, csak arra kell ügyelnünk, hogy a korong a sark fölött simmetrice maradjon, oldallagosan el ne mozduljon ; a mit könnyen elérhetünk, ha a korong közepén ejtett kerek nyíláson át vékony fémpálczát függélyesen tartunk s ezt így a korong kezdeti mozgásiránya mentében vezetésül használjuk (13. ábra). E 1i h u Thomso n-nak szép kísérletét a vízben emelkedő világító izzó

8 172 AVITTMANN FERENCZ lámpával következőképen hajthatjuk végre: Parafakorong kerületére elszigetelt rézdrótmenetekből képzett tekercset erősítünk és ennek körébe izzólámpát kapcsolunk ; ez a szerkezet a vízzel telt edényben épen csakhogy síílyed; ha Az elektro-induktív taszítással a bemutatott példákban haladó mozgást idéztünk elő, de alkalmas szerkezetekkel folytonos forgást is létesíthetünk. Ha váltakozó mágneses sark fölé az egyik oldalra olyan rézkorongot helyezünk, mely közepén függélyes tengelyen fekszik, a másik oldalra pedig vastag rézlemezt teszünk, úgy hogy' egy része a korong alá ér, a korongot folytonos forgásban tarthatjuk (15. ábra). 13. ábra. 15. ábra. 16. ábra. 14. ábra. váltakozó mágneses sark fölé tesszük, a tekercs zárókörében gerjesztett áram következtében a lámpa izzásba jő, és az elektro-induktív taszításból eredő felhajtó erő a tekercsnek és a vele kapcsolatos izzólámpának felszállását okozza (14. ábra). Ezen és még utóbb tárgyalandó más forgásjelenetek magyarázatára figyelembe kell vennünk a fémtömegeknek mágneses védő hatását ; értjük ez alatt a H e n ry -tő l először fölismert azt a jelenséget, hogy a primaer áramnak és vele a teremtett mágneses térnek a sekundaer vezetékre való indukáló hatását, kis elektromos ellentállású zárt vezetőnek közbehelyezésével megszüntethetjük. Imént említett kísérletünknél a szilárd vezető a foroghatónak fölötte levő részét a váltakozó mágneses tér indukáló

9 AZ ELEKTRO-INDUKTÍV TASZÍTÁSRÓL. 173 hatásától megvédi; az elsőben indukált áramok a foroghatóban assimmetrice eloszlódott áramokat vonzzák, tangencziális erőt keltenek, a mely a forgásra indít. Eme hatásnak ismétlődése a korong folytonos forgását okozza, mert időközben ennek új meg új részei a maximális indukáló hatás székhelyeivé válnak. Ha a váltakozó mágnessark fölé egymást részben fedő két forogható réz- tartja. Ez a forgató erő oly nagymértékű, hogy ha a gömböt közetlen a rézlemezre, nevezetesen annak egy mélyedésébe tesszük, a súrlódás daczára gyors forgásnak indul (17. és 18. ábra). A forgási jeleneteket Elihu Thomson váltakozó áramok mérésére való eszközök, ívlámpa-szabályozók és váltakozó áramú mótorok szerkesztésére használta fel. A legegyszerűbb mótorok egyikét, a mely azonban technikai szempontból nagyon hiányos, a következőkben írjuk le : 17. ábra. 18. ábra. korongot helyezünk, egymást vonzzák és ellenkező értelemben forognak (16. ábra). Érdekes a következő mutatvány : a váltakozó mágnessark fölé vízben úszó rézgömböt teszünk, de ezt a sarkvas egy részére tett rézlemezzel részben megvédjiik; a rézgömb meg nem védett helyein indukált, meg a rézlemezben gerjesztett áramoknak folytonos vonzó hatása az úszó gömböt sebes forgásban Elszigetelt drótmenetekből tekeicspárt (A) készítünk, a melyen váltakozó áramot vezetünk keresztül (19. ábra); ezen belül fekmentes tengely körül foroghat C tekercs, a melynek drótvégei áramszaggatóhoz vezetnek; két áramfelszedő D fémseprő állandó vezető kapcsolatban van. A szaggató úgy van szerkesztve, hogy C tekercs röviden van zárva, míg az A tekercsek síkjából 90 -ra elfordul, de C köre meg van szakítva az alatt, míg a 90-0n túli helyzetéből ismét A síkba jut. A C zárt tekercs párhuzamos helyzetében keletkező elektro-induktív taszító hatás merőleges helyzetbe viszi, a melyben C köre megszakad, tehát a taszító hatás megszűnik ; de tehetetlensége következtében a pár

10 i74 ELŐADÁSI KÍSÉRLETEK A FIZIKA KÖRÉBŐL. huzamos helyzetig tovább forog, a melyben ismét taszítás áll elő, úgy hogy a szerkezet kellő méretezésénél gyors forgás tartható fenn. Ugyanezen elvre alapított tökéletesebb motorokat is szerkesztettek, a melyek holt pontok nélkül valók s áramgerjesztéskor nyugalmi helyzetükből maguktól indulnak meg. Ezekből látjuk, hogy Elihu Thomson kísérletei valamint az elmélet, úgy az elektrotechnikai gyakorlat tekintetében egyaránt figyelemre méltók. W it t m a n n F e r e n c z. Előadási kísérletek a fizika köréből. i. Szirén állandó hangokkal. A használatban lévő szirénák hangja épen nem lett változtatni, az állandó hangmagasság levegőt szolgáltató nyílások számán kel csábító és a mi még rosszabb, a hang- érdekében pedig le kellett mondani magasság megváltozik, mihelyt más hangot szólaltatunk meg, úgy hogy a hang korongot; a helyett külön mótortkellett arról, hogy a légáram maga hajtsa a viszonyok konstatálása és más hangforrások hangjaival összehasonlításuk nagyon A rendelkezésemre álló Helmholtz- alkalmazni meg van nehezítve. Minthogy a szirén féle szirén magas hangjai ugyanazon különben rendkivül tanulságos eszköz, légnyomásnál túlságosan erősek, viszonyítva a mélyekhez. Ennek elkerülése igyekeztem az említett hiányokon segíteni. A hangok kiegyenlítése végett a végett a szilárd lemez lyuksoraiból egyes nyílásokat elfedtem, úgy hogy a szél a magas hangok lyuksoraihoz is csak annyi, vagy még kevesebb nyiláson át jut, mint a mély hangok lyuksoraihoz. Az összhangzás ez által sokkal kellemesebbé vált, minthogy a mélyebb hangok is kellőkép érvényre jutottak. Az állandó forgási sebesség előállítására egyelőre, a míg arra alkalmas szirén szerkesztve nem lesz, egy kissé bonyolódott összeállítást (i. ábra) használok, a mely azonban biztos működé- sével kárpótolja a ráfordított gondot. Az elektromotor például a Griseomféle, varrógépekhez készült egy Helmholtz-féle elektromos szabályzóval ellátott tengelyt hajt, a melynek egyik szíjkorongja a szirénát hozza mozgásba. A mótort hajtó folyam ellenállás-sorozaton is át van vezetve, a melynek egy része állandóan be van kapcsolva, egy része pedig időközönként rövid zárás folytán kikapcsoltatik. Ezt a kicsatolást egy relais végzi, a mely * Előadatott a Term. Társulat a szabályzón átmenő külön folyamkörbe május 27-iki szakülésén. van igtatva. Lassú forgáskor a relais az