A Hét 1987/1 (32. évfolyam, 1-26. szám)
1987-03-13 / 11. szám
TUDOMÁNY- TECHNIKA hU/R (200 éve született Georg Simon Ohm) A Cseh Műegyetem végzős hallgatóinak az államvizsga részleteit firtató kérdésére az évfolyamvezető docens kissé hamiskás mosollyal, kitérően válaszolt: „Uraim, ha az Ohm-törvényt ismerik, jó hangmérnök lesz magukból". A termen a megkönnyebbülés moraja hullámzott végig: ha a vizsgabizottság egyik tagja ilyen szellemesen tér ki a válaszadás elől, akkor nem kell különösebb megpróbáltatásra számítani. Persze akkor úgy gondoltuk, hogy a válasz fele se igaz. Hiszen csak úgy zsongtak a fejünkben a villamos tér mindmáig legtökéletesebb leírását adó Maxwell-egyenletek és összeszoruló gyomorral gondoltunk a félvezetötechnika alapjául szolgáló kvantumtechnikai egyenletek tengeri kígyó hosszúságú levezetéseire. Viszont az utóbbi csaknem másfél évtized igazolta az akkori szellemes válasz mély igazságtartalmát: a gyakorlati villamostechnika rendkívül sok tapasztalatra, kísérleti eredményre és néhány rendkívül egyszerű törvényre épül. Az elméleti kutatással nem foglalkozó szakember fegyvertárának legfontosabb kelléke a Kirchhoff-törvények mellett épp Ohm törvénye. Nem csoda, hiszen minden egyes villamostechnikai elem olyan kapcsolással helyettesíthető, amely ellenállást is tartalmaz, tekintve, hogy minden anyag kisebb-nagyobb mértékben akadályozza az áram áthaladását. Ezért is érdemes közelebbről megismerkedni azzal a tudóssal, aki az áramáthaladás egyik legfontosabb törvényszerűségét felismerte és a lehető legegyszerűbb matematikai képletbe (lineáris egyenletbe) öntötte. Georg Simon Ohm kétszáz évvel ezelőtt, 1787. március 16-án született Erlangenben. Nem csoda, hogy érdeklődése már korán a villamossági kísérletek felé fordult, hiszen — bármily meglepőnek tűnik — a 18. század az elektromosságtan egyik fényes korszaka volt. Szárnyaló fantázia, ötletesség és nem mindennapi gyakorlati érzék kellett ahhoz, hogy valaki ez idő tájt villamossági kísérleteket folytasson, tekintve, hogy semmilyen áramforrást nem ismertek, egyedül az üvegrúd és a borostyánkő megdörzsölésével állíthattak elő elektrosztatikus töltést (még az elemi töltés, az elektron neve is borostyánt jelent görögül), illetve a villámot „csapolhatták" meg. Még elgondolni is szörnyű, hogy például Benjamin Franklin úgy bizonyította be a villámlás elektromos kisülés jellegét, hogy a felhők közé engedett sárkánnyal töltött fel egy leideni palackot. Ehhez persze meglehetősen nagy bátorság kellett, és sokan életükkel fizettek az ilyen és hasonló kísérleteikért. Viszont e század — amelyet méltán tekintünk az ész századának — közgondolkodására jellemző, hogy irigyelték a tudóst, aki villamos áramütés következtében vesztette életét, mivel a haláláról szóló beszámoló a Francia Tudományos Akadémia memoárjai között jelent meg. A villamosságtan első komoly kutatójának Stephan Gray (1666—1736) tekinthető, aki elsőként jött rá arra, hogy a nem vezető anyagokra a töltés átvihető. Sikerült megállapítania, hogy bizonyos anyagok kitünően vezetik a villamosságot, így ezt információtovábbításra is fel lehet használni. Munkásságát elsősorban Henry Cavendish (1731 — 1810) fejlesztette tovább, aki kísérletei közben hajszál híján felfedezte az Ohm-törvényt. Ez a korának egyik legjelesebb kémikusa és fizikusa — aki többek között felfedezte a hidrogént, megállapította, hogy a víz hidrogén és oxigén vegyülete, rájött, hogy a levegő oxigén és nitrogén keveréke — tíz évvel Ohm születése előtt már komoly elektrosztatikai kísérleteket végzett. Eközben egyes anyagok vezetőképességét összehasonlítva eljutott az ellenállás fogalmához. Tapasztalati úton arra az eredményre jutott, hogy például á tengervíznél a vas négymilliószor jobban vezeti a töltést. Szinte hátborzongatóan egyszerű mérési eljárással jutott ehhez a különben meglepően pontos mérési eredményhez: különböző anyagokon (vezetőkön) keresztül érintette meg puszta kézzel a feltöltött leideni palack két elektródját, és az áramütés nagyságából következtetett a vezetőképesség nagyságára. Ezek után aligha csodálkozhatunk azon, hogy a villamossági kísérleteknek szép számmal halálos áldozatai is voltak: egy nagy kapacitású leideni palack vagy egy kis szívelégtelenség elegendőnek bizonyulhatott ahhoz, hogy a memoárírók tollat ragadjanak. A villamossági kísérleteknek Alessandro Volta (1745— 1827) adott óriási lökést, amikor 1800-ban az Angol Tudományos Akadémia (Royal Society) elnökének bejelentette új találmányát, a Volta-oszlopot, amely egyenáram előállítására volt alkalmas. Mivel az áramforrás felfedezéséhez elvezető jelenséget — a rézhorogra akasztott kipreparált békacomb rángatózását a vasrácshoz ütközve — Luigi Ga/vani (1737—1798) írta le először, az új áramforrást gyalvánelemként tartja számon a világ (ez esetben a rézhorog az egyik, a vasrács a másik elektród szerepét töltötte be, míg az állati szövet az elektrolit szerepét játszotta). Bár a galvánelemet Volta találta fel (pontosabban ö ismerte fel, hogy itt nem egy állati eredetű villamosságról van szó, a lényeg az elektródokban rejlik), viszont az utókor azzal kárpótolta, hogy a villamos feszültség mértékegységét róla nevezte el voltnak. Az első galvánelem megszerkesztése amiatt hozott fordulatot a villamossági kísértetek területén, mivel az eddigiek folyamán csupán kisebb-nagyobb töltésekkel tudtak dolgozni, amelyek kisülés formájában haladtak végig a vezetőn. Viszont a galvánelem már komolyabb kísérletek elvégzését is lehetővé tette, s a villamos áram hatásait is górcső alá vehették a kutatók. A nagy felfedezések nem is várattak sokáig magukra. Andre Maria Ampere (1775—1836) 1820- ban megállapította, hogy az áramok erőhatást fejtenek ki egymásra, ennek törvényszerűségeit hamarosan képletbe is öntötte. Felfedezésének jelentőségére legtalálóbban James Clerk Maxwell (1831—1879) a villamosságtan máig legnagyobb alakja világított rá, aki Ampére-t az elektrodinamika Newtonénak nevezte. Az utókor is méltóképpen értékelte a francia fizikus munkásságát, amikor is a villamos áram mértékegységét róla: ampémek nevezte el. Ugyanebben az időben ismerte fel Michael Faraday (1791—1867) a villamos áram elektromágneses hatásait, állította fel az indukciótörvényt, készítette el az első kísérleti dinamót és villamos motort. Georg Simon Ohm ebben a méltán forradalminak tartott időszakban kezdte el villamossági kísérleteit. Az 1810-es évek második felétől kezdve a kölni gimnázium tanáraként elsősorban a villamos áramnak a vezetőkre gyakorolt hatásait vizsgálta. Az már Cavendish óta nyilvánvaló volt, hogy az egyes anyagok eltérő módon vezetik a töltést, a törvényszerűség felismerése ennek ellenére fél évszázadot váratott magára. Ma már szinte lehetetlen kideríteni, hogy e csaknem két emberöltő alatt miért nem jutott senkinek az eszébe tudományos alapossággal foglalkozni ezzel a kérdéssel. Viszont a fiatal Ohm kísérleti eredményei hamarosan elvezettek a ma már minden iskolás előtt oly nyilvánvaló törvényszerűséghez: a vezetőben áthaladó villamos áramerősség (I) egyenesen arányos a feszültséggel (U), fordítottan arányos az ellenállással (R). Matematikai nyelven szólva: I = U/R. Hidrogénfejlesztő plazmareaktor Nagy hőmérsékletű plazmareaktorral állítanak elő hidrogént vízből szovjet kutatók új módszerével, amelynek jóval nagyobb a termelékenysége, mint a víz körülbelül ugyanannyiba kerülő hagyományos bontása elektrolízissel. A reaktorban egyébként az elektrolitikus eljárásnál jóval nagyobb mennyiségű hidrogént állíthatnak elő. Enyhe túlnyomással gőzt táplálnak a reaktorba, amelyben folyamatosan nagy frpkvenciájú villamos kisülést tartanak fent. Ez ionizálja a víz molekuláit, amelyek azután a villamos tértől felgyorsítva összeütköznek, hidrogén- és oxigénatomokká válnak szét. A módszer kapacitása körülbelül tíz köbméter hidrogén óránként. A plazmareaktort más nyersanyagok előállítására is felhasználhatják, például hidrogént, szén-monoxidot és kén-dioxidot állíthatnak elő vele hidrogén-szulfidból és szén-dioxidból. Ez utóbbi oxigénre és szénmonoxidra bomlik fel. A szén-monoxidot tartályba vezetik, ahol a vízzel reagálva széndioxidot és hidrogént hoz létre. Ezzel a módszerrel az elektrolízisnél kevesebb energia szükséges a hidrogén előállításához és még kevesebb energia kell hozzá, ha hidrogén-szulfid a kiindulási anyag. Persze Ohm arra is rájött, hogy az ellenállás nagysága a vezető anyagától a geometriai méreteitől függ, Így lett felfedezése teljes (ennek képlete szintén lineáris egyenlet). Ezek után aligha meglepő, hogy az ellenállás mértékegységét Ohmról nevezték el. Sokszor az egységnyi ellenállást úgy is szokták definiálni, hogy értéke akkor 1 ohm, ha 1 volt feszültség a vezetőben 1 ampér áramerősséget létesít. Ez a definíció egyben az ellenállás mérésének módját is sejteti: voltmérővel és ampermérővel határozható meg, hiszen a két érték hányadosa a keresett értéket adja meg. Továbbá azt is elárulja, hogyan lehet a villamos mennyiségek mérésére szolgáló ún. univerzális mérőműszert készíteni, amelyet a hazai üzletekben Avomet márkanévvel hoznak forgalomba: egy érzékeny milliampermérö és egy maréknyi ellenállás kell hozzá. A milliampermérö elé nagy előtétellenállást kapcsolva az áthaladó áramerősség a feszültséggel lesz arányos. Megfelelő előtétellenállásokat egy átkapcsolóhoz csatlakoztatva a mérőműszer méréshatára tetszés szerint változtatható. Amennyiben áramerősséget kívánunk mérni, a milliampermérövel párhuzamosan kis értékű ellenállást (sönt) kapcsolunk, ezzel a műszer méréshatára ugyancsak tetszés szerint változtatható. Mivel az ellenállás nagyságát a feszültség és az áramerősség hányadosa adja meg, az ellenállásméréshez áramforrást is kell használni. Erre a műszerbe épített ceruzaelem szolgál, ennek körébe kapcsoljuk a mért ellenállást. Természetesen a kapcsoló megfelelő állásánál a műszer skáláján közvetlenül ohmokban olvasható le az ellenállás nagysága. Ohm a később róla elnevezett/törvényt 1826-ban hozta nyilvánosságra. Hogy felfedezésének jelentőségét azonnal felismerték, az is bizonyítja, hogy két évvel később meghívták a berlini hadiiskola tanárának, majd 1833-ban a nürnbergi műegyetem igazgatójává nevezték ki. Pályafutása a továbbiakban is töretlen: 1849-től haláláig a müncheni egyetem fizikaprofesszoraként dolgozott, ebben a városban hunyt el 1854. július 7-én. A tizenkilencedik század második felében a villamossági technika végleg felnőtté válik, megszületnek az első erőművek, a villanyvilágítás és a villamos motorok. A hálás bajorok még évtizedekkel halála után sem feledkeztek meg egyetemük világhírű tudósáról: 1895-ben szobrot állítottak neki Münchenben. Bár a huszadik század nagy karriert befutott elektronikai elemének, a félvezetőnek a tulajdonságait az Ohm törvénnyel nem lehet megmagyarázni, viszont a kvantummechanika nagy felfedezéseinek köszönhetően sikerült oda eljutni, hogy például egy tranzisztor viselkedését is olyan helyettesítő kapcsolás segítségével lehet behatóan vizsgálni — és pontosan meghatározni —, amely egy képzelt áramforrás mellett éppen ellenállást tartalmaz. Hiszen minden anyag — a félvezető kristály is — ellenállást fejt ki az áthaladó árammal szemben. Poníosan úgy, ahogy azt Ohm meghatározta. OZOGÁNY ERNŐ 16
