„Az igazság az, hogy a dörzsölési −vagy más néven tribo− elektromosság a szilárdtestfizikának egy igen érdekes, de kevéssé kutatott és mindmáig vitatott területe.” Noszticzius-Ván-Wittmann: Elektrodinamika

Szigetelők – vezetők

A hétköznapi szemléletben megszoktuk, hogy a testeket aszerint tekintjük vezetőnek vagy szigetelőnek, hogy vezetik-e az elektromos áramot. Az iskolában tanultuk, hogy a fémekben szabad elektronok vannak, s az áram vezetése nem más, mint ezeknek az elektronoknak a mozgása. Míg a szigetelőkben nincsenek szabad elektronok, amelyek el tudnának mozdulni, így azok nem vezetik az áramot.

A fizika történetében viszont az elektromos áram felfedezése előtt csak az elektrosztatikusan töltött állapotot ismerték (a szőrmével megdörzsölt borostyán magához vonzza, majd eltaszítja a tollpihéket – azaz valamilyen titokzatos erővel rendelkező állapotba került), s a testeket aszerint osztották vezetőre, ill. szigetelőre, hogy képesek voltak-e továbbítani ezt a töltött állapotot. Ennek a feloszthatóságnak a felismerése az elektromosság történetében eléggé későn történt meg, s Stephen Gray nevéhez fűződik. (Vegyük észre: a vezetők – szigetelők ezen felosztása nem azonos azzal a felosztással, hogy a test vezeti-e az elektromos áramot!)

Például az üveg, a parafa, a fapálcika, a kenderzsinór nem vezeti az elektromos áramot, az elektromos töltést viszont képes ‘továbbítani‘, míg a selyemzsinór nem csak hogy nem vezeti az elektromos áramot, de a töltött állapotot sem továbbítja.

Ma azokat a testeket, amelyek nem vezetik az elektromos áramot, de továbbítják a töltést, dielektrikumnak nevezzük. Ennek a jelenségnek a fizikai magyarázatáról később.)

Stephen Gray (1666-1736) élete

Stephen Gray az angliai Canterburyben született 1666-ban, csak alapfokú tanulmányokat végzett, majd az apja kelmefestő üzemében dolgozott tovább. Természettudományos ismereteit autodidakta módon szerezte meg, majd eredményei és tudományos megfigyelései révén kapcsolatba került a kor tudományos elitjével. Többek között John Flamsteed-del, akivel egy csillagtérkép összeállításán dolgozott, s ez a kapcsolat több szempontból is meghatározta Grey pályáját. Gray eredetileg csillagászattal foglalkozott, s maga csiszolta lencsével készített távcsövével tett néhány jelentősebb felfedezést a napfoltok területén, s ezzel szerzett hírnevet magának, s került be a tudományos életbe. (Kép: Stephen Gray portéja – testandmeasurementtips.com)

A 17. században egyre nagyobb igény merült fel a tengerhajózásban a hajó pillanatnyi helyzetének, azaz az adott helyzete földrajzi hosszúságának a meghatározására, ami a csillagok, a nap és a hold állása alapján volt lehetséges. Ehhez viszont ismerni kellett a csillagok pontos pozícióját és ki kellett számítani a Hold jövőbeni helyzetét. Ekkor állították fel a Greenwichi Királyi Obszervatóriumot, amelynek az alapkövét 1675-ben rakták le, s az első királyi csillagásza John Flamsteed lett. Gray a csillagtérkép összeállításának a munkájában vett részt Flamsteed mellett – valószínűleg fizetés nélkül. Az általuk összeállított csillagkatalógus 1725-ben jelent meg – ez volt a világon az első komolyabb csillagkatalógus.

Ez az együttműködés viszont igen szerencsétlennek bizonyult Gray számára, mert Flamsteed Newton riválisa volt, Newton pedig, amennyire zseniális fizikus volt, annyira zsarnoki módon vezette a Királyi Természettudományos Társaságot, s kutatók pályáját tudta ellehetetleníteni, ha bárkivel is konfliktusba keveredett. Gray is ennek köszönhette – mivel Flamsteeddel dolgozott együtt -, hogy Newton megakadályozta, hogy tudományos cikkei jelenjenek meg, s megfelelő álláshoz jusson. Végül csak 1732-ben – Newton halála után – lett a Royal Society tagja.

Gray Greenwichi munkáját követően a második angol csillagvizsgálóban dolgozott, amelyet Cambridge-ben építettek, azonban az ottani projekt összeomlott, így Gray kénytelen volt visszatérni eredeti kelmefestő szakmájához. Rossz egészségi állapota miatt azonban kénytelen volt azt abbahagyni (wikipédia), míg mások szerint a műhelye égett le (Az elektromosság megrázó története – film) és visszatért Londonba, ahol Desaguliers tudományos tanácsadója volt, s ismét fizetés nélkül dolgozott, csupán szállást és ellást kapott. Mégpedig „Newton korai életrajzírója, William Stukeley szerint Gray ott afféle hivatásos társalgóként szolgált, amikoris Desaguliers tudós úriemberek számára fenntartott londoni panziójában élt, s a szállásért és ellátásért cserébe diskurzusával szórakoztatta a vendégeket.” (royalsociety.org)

Élete végén nyomorban élt, s 1720-ban Flamsteed közbenjárására kapott ellátást és lakhatást a londoni Charterhouse-ben, ami egy fiúiskola, s egyben egy öregek otthona is volt. Az intézmény egyébként még ma is működik idősek otthonaként (thecharterhouse.org), míg az iskola része azonos néven egy másik településen folytatja tevékenységét Anglia egyik legdrágább elitiskolájaként (kép: charterhouse.org.uk), ahol napjainkban a tandíj átszámítva évi 17 millió forint.

A Charterhouse

A Charterhouse (Domus Carthusiana – Karthauzi Ház) eredetileg egy karthauzi kolostor volt, majd miután VIII. Henrik szakított a római egyházzal, s megszüntette a szerzetes rendeket, a kolostor helyén egy jótékonysági intézmény jött létre, a Charterhouse. A Charterhouse egyrészt egy idősotthon, másrészt egy fiúiskola volt. Az idősotthonban „szegény úriemberek, vagy öreg katonák, vagy kalózkodás vagy hajótörés miatt elszegényedett kereskedők, vagy a király vagy a királynő házi szolgái” kaptak időskorukban ellátást. A Brithis History Online így írja le az idősotthont egy 1878-ban megjelent könyv beszámolója alapján:

„A szegény testvérek (poor brothers vagy pensioners) száma nem haladhatta meg a négyszázat, és vagy szegény úriemberek, vagy öreg katonák, vagy kalózkodás vagy hajótörés miatt koldusbotra jutott kereskedők, vagy a király vagy a királynő házi szolgái lehettek […] A Kartaház szegény testvérei … jelenleg nyolcvanan vannak. Évente 36 fontot kapnak, kényelmes szobáik bérleti díjtalanok, és kötelesek hosszú fekete köpenyt viselni, míg az intézmény ellátottjai. Naponta kétszer, fél tízkor és hatkor járnak kápolnába, és együtt vacsoráznak Norfolk hercegének szép régi termében. Az egyetlen különleges korlátozás az öreg testvérekkel szemben az, hogy minden este tizenegy órakor kell megjelenniük, és a kápolnában való távolmaradásért egy shilling pénzbírsággal sújtják őket – ez a szabály biztosítja, ahogy az várható volt, a legfarizeusabb pontosságot az ilyen szertartásokon. Ebben a tiszteletreméltó testvériségben jó néhányan voltak Wellington régi félszigeti tisztjei közül, néha-néha egy-egy csődbe jutott vidéki földesúr, és néha-néha – igencsak oda nem illő módon – az egyik kormányzó öreg komornyikja.„

A Charterhouse ma is mint ‘almshouse’ (alamizsnaház) működik, s 40 kedvezményezettet (testvért) tud ellátni: „A jótékonysági szervezet kedvezményezettjei magánlakásokban élnek. Szabadon jöhetnek-mennek, ahogy akarnak, étkezhetnek, kihasználhatják a helyi kulturális helyszíneket és nyaralhatnak. Étkezésük nagy részét azonban a történelmi, 16. századi Nagyteremben fogyasztják el” – azaz a ‘Norfolk hercegének szép régi termében’ közösen elköltött vacsora szokását még ma is őrzik Gray korából. (A jelentkezés feltételei)

Itt, a Charterhouse-ban kezdett hatvan éves korát már betöltve elektromossággal kapcsolatos kísérleteibe, s itt mutatta be a híressé vált ‘repülő fiú‘ kísérletét is. Végül 1736-ban halt meg, s testét a Charterhouse tömegsírjába temették.

A ‘Two letters from Gray to Mortimer‘ kísérletei

A továbbiakban először a sparkmuseum.com oldalt használva forrásként ismertetjük Stephen Gray levelét, amelyet Cromwell Mortimernek írt, s azokról a felfedezéseiről számol be, amelyek mérföldkőnek számítanak az elektromosság történetében. A levél az angol Királyi Természettudományos Társaság folyóiratában, a Philosophical Transactions of the Royal Society 37. számában jelent meg (1731-32) ‘Two letters from Gray to Mortimer, containing a farther account of his experiments concerning electricity‘ címmel (Két levél Grey-től Mortimer-nek, amelyek az elektromossággal kapcsolatos kísérleteiről részletesebb beszámolót tartalmaznak). – Kép: sparkmuseum.com, a levél teljes szövege: ampere.cnrs.fr.

Gray a kisérleteihez egy 1 m hosszú és 3 cm átmérőjű üvegcsövet használt, amelyet száraz kézzel vagy papírral dörzsölt. Ezek az üvegcsövek akkoriban igen népszerűek voltak, mivel hordozhatóak és olcsóbbak voltak, mint a dörzselektromos gépek. Benjamin Franklin is ilyen üvegcsövet használt a kutatásaihoz.

Ha a papírral megdörzsölt, s így feltöltött üvegcsövet apró papírdarabkákhoz közelítjük, akkor az üvegcső ezeket először magához vonzza, majd eltaszítja magától. Akkoriban az elektromosságot folyadéknak tekintették, effluvium-nak (bővebben lentebb), ami valamely módon körülveszi a feltöltött testet, s ennek az elektromos folyadéknak a jelenléte okozza a fenti jelenséget. Gray megfigyelte, hogy amikor tárgyakat közelített a töltött üvegcsőhöz, akkor szikra ugrott át a csőről a testre (‘a cső fényt adott át a testeknek‘), s ebből támadt az az ötlete, hogy esetleg maga az elektromosság is ugyanígy átadódhat a töltött üvegcsőből egy másik testre, aminek a következtében majd az a másik test is úgy kezd el viselkedni, mint a töltött üvegcső, hiszen most már maga is részesül az effluviumból, az elektromos folyadékból.

Első kísérleteiben azt vizsgálja meg, hogy van-e különbség a töltött üvegcső vonzóereje között akkor, ha egy-egy parafadugóval lezárja az üvegcső két végét, vagy sem. Azt találja, hogy nincs különbség, viszont felfigyel arra, hogy nem csak a töltött üvegcső, de a végét lezáró parafadugó is magához vonzza a kísérlethez használt madártollat, azaz a vonzóerőt (attractive vertue [virtue]) az üvegcső átadta a parafa dugónak: „an attractive Vertue communicated to the Cork by the excited Tube” – hiszen ő csak az üvegcsövet dörzsölte, a parafadugót viszont nem. Ezután egy 10 cm-es fenyőpálcát szúr a dugóba, s annak a végére egy elefántcsont golyót erősít, s azt tapasztalta, hogy a vonzás és taszítás nem csak hogy átadódik az elefántcsont golyónak, de erősebb is lesz.

Tehát Gray alapvető felfedezése az volt, hogy az elektromosan töltött állapot valahogyan ‘átfolyik‘ az üvegcsőből a parafadugóba, majd ott a fenyőpálcikán keresztül az elefántcsont golyóba.

Gray leírja (aif.it), hogy szemben Hauksbee eljárásával ő nem a puszta tenyerével, hanem egy papírdarabbal dörzsölte az üvegcsövet, s így – anélkül, hogy tudott volna az okáról – nagyobb töltésmennyiséget tudott felhalmozni az üvegcsövön. Az üvegcső ugyanis szigetelő, így a dörzsölés hatására kialakult töltés nem mozdul el a felületén. Ha viszont tenyérrel dörzsöljük az üvegcsövet, akkor a dörzsöléstől izzadhat a tenyerünk, s így egy vékony nedvesség réteg jön létre a cső felületén, amely vezeti a töltéseket, s azok aztán a másik kezünkön át – amellyel az üvegrudat tartjuk – a földbe vándorolnak, s így az üvegcsövön csak kevés töltés tud felhalmozódni. Ezzel szemben, amikor Gray száraz papírral dörzsölte az üvegcsövet, akkor nagyobb mennyiségű töltés tudott felhalmozódni.

Gray tehát észreveszi, hogy – bár csak az üveget dörzsöli, nem a dugót – a dugón mégis töltés jelenik meg, majd azt a töltést át tudja vinni egy 10 cm-es pálca végén lévő elefántcsont golyóba. Mivel a fapálcika szigetelő anyag, ezért az elefántcsont golyóba a töltés a polarizáció révén terjedt, azaz itt nem arról van szó, hogy a fapálcika vezetné a töltést. Amikor azonban a fapálcikát fémhuzalra cserélte, akkor már a vezetés jelenségét figyelte meg:

Ezután ugyanis Gray „a bot hosszát 20 cm-re, majd később 60 cm-re növelte, és azt tapasztalta, hogy a vonzás továbbra is megfigyelhető. A fapálcát vas- és sárgarézhuzalokkal helyettesítette és ugyanezeket a hatásokat figyelte meg. Később 90 cm-re növelte a kábelek hosszát, de ekkor már zavarólag kezdett fellépni a rezgés, amit a cső dörzsölése keletett.” (forrás: aif.it)

Gray szavaival: „Ezután először vas, majd sárgaréz drótot használtam a golyó rögzítéséhez, a huzal másik végét a parafába illesztettem, mint korábban, és megállapítottam, hogy a vonzás ugyanaz volt, mint amikor a fenyőbotokat használták, és amikor a tollat ​​a drót bármely részének tartották, vonzotta, de bár akkor közelebb volt a csőhöz, mégsem volt olyan vonzó. erős, mint a labdaé.”  (forrás: sparkmuseum.com )

A továbbiakban Gray a dörzsölés okozta rezgés kiküszöbölésére függőlegesen függeszt fel a dugó végére madzaggal különböző tárgyakat, s azokat próbálja végig, hogy töltötté tehetőek-e: „kipróbált több érmét, ón- és ólomdarabokat, tűzlapátot, fogót és vaspókert, teáskannát és egy ezüst pint-edényt. Mindegyiket vezetőnek találta. Ezután utánanézett, milyen nemfém tárgyakat talált, köztük többféle követ és pár zöldséget, amelyek mindegyikét felakasztotta a cérnaszálra, s mindegyiket sikerült töltötté tennie” (sparkmuseum.com).

Gray tehát a kísérleteit függőleges felfüggesztéssel folytatta, ami igen szerencsésnek bizonyult, mivel ekkor nincs szükség a zsineg alátámasztásához, ugyanis az alátámasztás esetleg elvezetheti a töltést, ami a kisérlet kudarcához vezethet, mint az később be is következett. Egészen 15 méter magasságig jutott el, ugyanis ilyen magasan volt az erkélye. A kisérlet során a felfüggesztett elefántcsont golyó pár hüvelyk magasságból apró sárgaréz forgácsokat emelt fel. Ma már ez nem tűnik túlságosan különlegesnek, azonban valójában ez volt az elmúlt 2000 év során a legnagyobb és leglátványosabb eredmény, amit az elektrosztatikus erő felfedezése óta elértek, s ezt tükrözi az a siker is – mint ismertetni fogjuk -, ami a ‘hanging boy‘ (lebegő fiú) kísérletének a nyilvános bemutatóit kísérte.

A továbbiakban viszont ennek az erőnek a vízszintesen kifeszített zsinóron való továbbításának a problémájával kellett Graynek megküzdenie, ui. szembekerült azzal a nehézséggel, amit az előbb említettünk. Gray ui. a zsinórt most vízszintesen feszítette ki, s az egyik végét egy gerendából kiálló szöghöz erősítette, azonban amikor megdörzsölte az üveget, akkor nem történt semmi. Igen helyesen úgy gondolta, hogy a szöggel történő alátámasztásnál szökik el a töltés.

Gray ekkor azt tervezte, hogy a londoni Szent Pál-székesegyház kupolájának a tetejéről végzi el a kísérletét, amikor a Londonba tartó útja során meglátogatta barátját, Granville Whelert, s az ő tanácsára megismételte a kísérletet az ő házában is. Wheler azt javasolta, hogy a vízszintes zsineg alátámasztásához használjanak selyemszálat, s azon talán kevesebb elektromos fluidum szivárog el. S a kísérlet sikerült! Az elektromosságot 45 méterre vezették el, s mikor a töltött üvegcsővel megérintették a zsinórt, akkor 45 méterrel távolabb az elefántcsont golyó magához vonzotta az alatta lévő sárgaréz forgácsokat (kép: sparkmuzeum).

The Flying Boy

Gray egy – a korában – igen híressé vált kísérlete a ‘lebegő fiú‘ (suspended boy, flying boy) volt. A kísérlet során szigetelő selyemkötelekkel vízszintesen, arccal a föld felé felfüggesztett egy fiút úgy, hogy azoknak a karjai lefelé lógtak, s a kézfejei alatt 30 centire egy-egy korongon rézforgácsok voltak elhelyezve. Gray ekkor egy töltött üvegcsövet közelített a fiú lábához – de nem érintette azt meg -, s ekkor a fiú keze magához vonzotta az alatta lévő rézforgácsokat, majd kis idő múlva eltaszította azokat, s a csillogó rézforgácsok folyamatosan mozogtak a fiú teste és a talaj között. – Professor Jim Al-Khalili mutatja be a flying boy kísérletet az alábbi videón: bbc.co.uk.

A flying boy mutatvány – ma

Az elektromos alapjelenséget ‘már az ókori görögök is’ ismerték, ti. hogy a megdörzsölt borostyán magához vonz apró tárgyakat – s az ekektromosság innen, a borostyán görög nevéből – electron, ἤλεκτρον – kapta az elnevezését. A fizika más ágaihoz képest a fejlődés itt azonban meg is állt, s a 18. század első feléig a jelenség leírásán túl nem is jutottak tovább. Gray koráig csak két jelentősebb felfedezés történt: Guericke feltalálja a dörzselektromos gépet (1672), Hauksbee pedig felfedezi a gázkisülést (1705).

A 18. század első felében megindul ismét az érdeklődés az elektrosztatikus jelenségek iránt, de ezzel jellemzően nem a természettudósok, hanem a vásári mutatványosok foglalkoznak, s próbálnak újabb és újabb, s egyre látványosabb mutatványokat kidolgozni. Ez az érdeklődés elérte a főúri udvarokat is, ahol divat volt a lakomák vendégeit elektrosztatikus kísérletekkel szórakoztatni. (Az elektromosság megrázó története c. film ezeket a mutatványosokat villanyászoknak nevezi.)

Ebben a sémában érthető, hogy Gray kísérlete miért lett olyan népszerű, hiszen látványos volt, s azt mutatta be, ami az emberiség – máig beváltatlan – álma: a dolgok lebegtetését, s ezt erősítette az a látványelem is, hogy a bemutatón a ‘repülő fiú’ vízszintesen felfüggesztve ‘lebegett’, mintegy úgyanúgy, ahogyan a rézforgácsok is lebegtek fel-alá a kísérlet során.

Úgy gondolom, ez ma is egy népszerű mutatvány az illuzionisták körében. Ugyan túl részletesen nem kerestem rá a neten, de egyből megtaláltam Yigal Mesika illuzionista oldalát, ahol már a nyitóoldalon (yigalmesika.com) a mutatvány egy változata szerepel: az illuzionista egy bankjegyet lebegtet a földről a tenyere felé, ill. egy videójában pedig a klasszikus Gray féle kísérletet mutatja be – ugyan felfüggesztés nélkül -, amikor is egy asztal lapja és a nyitott tenyere között aranyló szemcsék mozognak fel, s alá.

Mellesleg Yigal Mesika bemutatói között található ‘electric touch‘ mutatvány pontosan ugyanazt teszi, mint amiről Az elektromosság megrázó története c. filmben Jim Al-Khalili professzor mesél, hogy mivel szórakoztatták a villanyász mutatványosok a vendégeket a főúri szalonokban: a villanyász egy „Hauksbee féle elektromos géppel saját magát feltöltötte, majd áramütésekkel csiklandozta a vendégeket, akik jókat sikoltoztak – talán az örömtől.„

Stephan Gray jelentősége

Stephen Gray tehát azt fedezte fel, hogy az elektromosság folyik, s neki sikerült először az elektromos hatóerőt (electric vertue [virtue]) egy feltöltött üvegcsőből kenderzsinóron keresztül 230 méterre vezetnie. Ezt ő úgy fogalmazta meg, hogy ‘an attractive Vertue communicated‘, azaz ‘vonzó erő lett átadva‘, ill. ‘Electrick Vertue communicated‘, azaz ‘elektromos hatóerő lett átadva‘ (full text) – s amikor Gray ezt leírta, még álmában sem gondolta volna, hogy milyen jelentős dolgot fedezett fel: az elektromos áramot. A felfedezése két megfigyelésből tevődött össze:

• egyes dolgok – mint a kenderzsineg – vezetik az elektromos hatóerőt, míg más dolgok – pl. a selyemszál – nem vezetik. Ezzel voltaképpen azt ismeri fel, hogy elektromosság szempontjából a dolgok két csoportba oszthatóak – s ahogyan majd nevezik őket – vezetőkre és nem vezetőkre.
• felismeri, hogy a vezető anyagok dörzsölés nélkül is elektromos állapotba hozhatóak azáltal, hogy töltött testet közelítünk felé – ez pedig a töltésmegosztás (electrostatic induction, influence)

Mindezek értelmezéséhez először tekintsük át az elektromos jelenségekkel kapcsolatos fogalmak kialakulását, majd nézzük meg, mi is az valójában, amire úgy hivatkozunk, hogy vezetés!

Gilbert

William Gilbert (1544-1603) volt az, aki a De magnete c. művében (angolul – latinul) megkülönbözteti a mágnes és a megdörzsölt borostyán kifejtette vonzást, s ő alkotta meg az ‘elektromos‘ (electric, latinul: electricus: ‘borostyánra hasonlító‘) szót is, ill. elsőként ő osztályozta az anyagokat abból a szempontból, hogy dörzsöléssel elektrosztatikusan töltött – azaz ‘borostyánszerű‘ – állapotba hozhatóak-e. Elektromosnak azokat az anyagokat nevezte, amelyek a dörzsöléssel töltött állapotba hozhatóak és más anyagokat magukhoz vonzanak, mint a borostyán (görögül: elektron) – pl. üveg, pecsétviasz, kén, számos drágakő -, míg azokat, amelyek nem hozhatóak töltött állapotba, nem elektromosnak nevezte el (pl. csont, elefántcsont, fák, fémek, mágneskő).

Gray osztályozása ugyanennek a felosztásnak felel meg azzal az eltéréssel, hogy azokat az anyagokat tekinti vezetőnek, amelyek vezetik a töltést (parafa, elefántcsontgolyó, fa, zsinór, drót) – s ezek Gilbertnél a nem elektromos anyagok -, míg a szigetelők azok, amelyek nem vezetik a töltést (selyemszál, lószőr, gyanta) – s ezek az anyagok Gilbertnél az elektromos anyagok.

Továbbá figyelembe kell vennünk, hogy Gray nem az áramvezetés szempontjából osztotta az anyagokat szigetelőkre és vezetőkre, hanem az elektrosztatikus töltés átadása szempontjából. Ugyanis a spárga nem vezeti az elektromos áramot, mivel szigetelő, azonban Gray vezetőnek tekintette, mivel átadta az elektrosztatikusan létrehozott töltést.

Desaguliers

John Theophilus Desaguliers (1683 – 1744), akinek Gray az asszisztense volt, mielőtt a Charterhouse-ban kapott volna ellátást, vezette be Gray felismerése alapján a vezető és szigetelő elnevezéseket. A vezetőket conductor-nak, a szigetelőket pedig supporter-nek (támasztéknak) nevezte el, mivel azokkal tudták alátámasztani a vezető szálakat a kísérleteikben (lásd a fentebbi ábrát, ahol a vezető kenderzsinór vízszintesen kifeszített selyemszálakkal van alátámasztva).

„In the following account, which is the sequel of former experiments, I call conductors those strings, to one end of which the rubb’d tube is applied; and supporters such horizontal bodies as the conductor rests upon.” (forrás: play.google.com/books)

„A következő beszámolóban, amely korábbi kísérletek folytatása, vezetőknek nevezem azokat a szálakat, amelyek egyik végére a dörzsölt csövet kötik; és támogatóknak az olyan vízszintes testeket, amelyeken a vezető nyugszik.„

Du Fay

‘Stephan Gray élénk levelezésben volt Charles François de Cisternay Du Fay-jel (1698–1739), aki a francia királyi kertek felügyelôje volt. Dufay legnagyobb érdeme a kétféle villamosság felfedezése. Eddig ugyanis az volt ismeretes, hogy a dörzsöléssel elektromossá tett test a környezetében levô könnyû tárgyakat magához vonzotta, majd a velük való érintkezés után eltaszította. Maguk a megdörzsölt testek pedig egymást taszították. És íme, most kiderült (idézet lentebb), hogyha egy üvegrudat megdörzsölünk és egy gyantadarabot megdörzsölünk, akkor a két elektromossá tett anyag nem taszítja, hanem vonzza egymást. Dufay ezért kétféle elektromosságról beszél, az üvegelektromosságról (électricité vitreuse) és a gyantaelektromosságról (électricité résineuse). Ennek megfelelôen az eddigi egyfolyadék-elmélet helyébe megszületett a kétfolyadék-elmélet; ezt a francia királyi udvar hivatalos természettudósa, Jean Antoine Nollet (1700- 1770) dolgozta ki részletesen. Ô még úgy képzeli el, hogy a kétféle elektromosság effluvium és affluvium alakjában körülveszi az elektromos testet.’ (forrás: Simonyi). Du Fay felismerése a saját szavaival:

„Azt látjuk tehát, hogy két – teljesen különbözõ természetû – elektromosság van, éspedig az átlátszó szilárd testeké, mint az üvegé, kristályoké stb., valamint a kátrányos vagy gyantás testeké, mint a borostyáné, gyantáé, pecsétviaszé stb. Ezek mindegyike taszítja azon testeket, amelyeknek elektromossága ugyanazon természetû, mint az övé, és vonzza azokat, amelyek ellenkezô természetûek. Azt látjuk, hogy azok a testek is, amelyek maguk nem elektromosak, megszerezhetik bármelyik elektromosságot, és akkor hatásuk hasonló azon testekéhez, amelyektõl azt kapták.” Du Fay (forrás: Simonyi).

Franklin

Benjamin Franklin (1706–1790) volt az első amerikai tudós, akinek az eredményei bizonyították, hogy az Európából lenézett gyarmati Amerikában is kialakulhat tudományos élet. Amikor az első tanulmányai megjelentek, s elérhetőek lettek francia nyelven is, a fentebb említett Nollet egyszerűen nem akarta elhinni, hogy létezik egy Franklin nevű fizikus mégpedig Philadelphiában, a könyvéről pedig az volt a véleménye, hogy az ellenségei írták az ő lejáratására. Franklin ugyanis szakított a kétfolyadék-elmélettel, amely úgy tartotta, hogy valamiféle elektromos folyadék veszi körül az elektromos állapotba hozott testeket, ami így egy igen homályos kép, s helyette bevezeti a töltés fogalmát, ami már egy határozottabb képzet.

Először nézzük meg, hogy Franklin hogyan véli kimutatni azt, hogy az elektromosság egy folyadék, amely körbeveszi az elektromosan töltött testet (New Experiments and Observations on Electricity, 15§):

„The Form of the Electrical Atmosphere is that of the Body it surrounds. This Shape may be rendered visible in still Air, by raising a Smoke from dry Rosin, dropt into a hot Tea-Spoon under the electrified Body, which will be attracted and spread itself equally on all Sides, covering and concealing the Body. And this Form it takes, because it is attracted by all Parts of the Surface of the Body, tho’ it can not enter the Substance already replete. Without this Attraction it would not remain round the Body, but dissipate in the Air.„

„Az elektromos légkör formája megegyezik az általa körülvett Testével. Ez az alak láthatóvá tehető a mozdulatlan levegőben, ha a forró teáskanálba csepegtetett száraz gyantából füstöt eresztünk a villamosított test alá, amely vonzza és egyformán szétterül minden oldalra, befedve és elrejtve a testet. És ezt a formát azért veszi fel, mert a Test felszínének minden része vonzza, bár nem tud belépni az anyagba, amely már tele van vele. E vonzás nélkül nem maradna a Test körül, hanem szétoszlana a levegőben.” (fordítás: DeepL.com)

Franklin az elméletében egyetlen töltésfajtát – a pozitív töltést – tételezett fel, ami az üvegelektromossággal azonosított. Ha egy adott testben ebből a töltésből a normálisnál több van, akkor az a test pozitív töltésű, ha pedig ebből a töltésből kevesebb van, akkor negatív töltésű. Azaz Franklin a kereskedelemben szokásos könyvelés tartozik – követel fogalompárjával közelítette meg a kérdést. Ugyancsak Franklin vezette be a ‘charge‘ (töltés) kifejezést is a fizika tudományába. A szó eredetileg azt a terhet jelentette, amit rakományként a szekérre fel kell pakolni, így a latin ‘carrus‘ (szekér) szóból ered. Majd felvette ‘pénzbeli teher, költség, ár‘ jelentést, s Franklin hasonló értelemben kezdi el használni ‘elektromos töltés’ jelentéssel, amely lehet pozitív (többlet) vagy negatív (hiány) ugyanabból a valamiből, ami az elektromosságot okozza, mint bármilyen kereskedelmi elszámolásban, ahol pénzről van szó. Franklin saját szavaival (forrás: EXPERIMENTS AND OBSERVATIONS ON ELECTRICITY, MADE AT Philadelphia in America, BY Mr. BENJAMIN FRANKLIN)

„Hence have arisen some new terms among us: we say, B, (and bodies like circumstanced) is electrised positively; A, negatively. Or rather, B is electrised plus; A, minus. (…) To electrise plus or minus, no more needs to be known than this, that the parts of the tube or sphere that are rubbed, do, in the instant of the friction attract the electrical fire, and therefore take it from the thing rubbing: the same parts immediately, as the friction upon them ceases, are disposed to give the fire they have received, to any body that has less.”

„Ezért keletkezett köztünk néhány új kifejezés: azt mondjuk, hogy B (és a hasonló körülmények között lévő testek) pozitívan, A pedig negatívan elektromossággal töltődik fel. Vagy inkább: B pluszban van elektromossággal ellátva; A mínuszban. (…) A plusz vagy mínusz elektromossághoz nem kell többet tudni, mint azt, hogy a cső vagy gömb azon részei, amelyeket dörzsölnek, a súrlódás pillanatában vonzzák az elektromos tüzet, és ezért elveszik azt a dörzsölő tárgytól: ugyanazok a részek azonnal, amint a súrlódás megszűnik rajtuk, hajlandók a kapott tüzet visszaadni bármely testnek, amelyiknek kevesebb van” (Translated with DeepL)

Franklin magyarázatában tehát van a töltéshiányos anyag és azt valamiféle elektromos folyadék – a töltés – veszi körül olyan mennyiségben, hogy az anyag kifelé nem mutat elektromos tulajdonságokat, azaz semleges. Ha további töltést adunk hozzá, akkor töltés többlete lesz, s üvegelektromos tulajdonságokat mutat, s ez a pozitív állapot, míg ha töltést vonunk el, akkor töltéshiánya lesz, s ez a negatív állapot. Azaz nála a pozitív és negatív nem kétféle töltést jelöl, hanem az egyetlen létező fajtájú töltésből a többletet vagy a hiányt. Továbbá Franklin úgy magyarázza az elektromos jelenségeket, hogy az elektromos töltés önmagára taszító hatást fejt ki, viszont a töltés és a (töltéshiányos) anyag vonzzák egymást. Arra viszont nem tudott magyarázatot adni, hogy a töltéshiányos anyagú testek miért taszítják egymást.

Aepinus

Erre a választ Franz Ulrich Theodor Aepinus találta meg: „Mivel két üvegesen töltött test taszítja egymást, az elektromos folyadék két részecskéje közötti erőnek (Franklin egyfolyadékos elmélete alapján, amelyet Aepinus elfogadott) taszítónak kell lennie: és mivel az ellentétesen töltött testek között vonzás van, az elektromosság és a közönséges anyag közötti erőnek vonzónak kell lennie. Ezeket a feltételezéseket, mint láttuk, Franklin már megtette; de hogy a két gyantásan töltött test közötti taszítást megmagyarázza, Aepinus egy új feltételezést vezetett be, nevezetesen, hogy a közönséges anyag részecskéi taszítják egymást. Ez először megdöbbentette kortársait; de, mint rámutatott, az általunk ismert „nem elektromos” anyag valójában az elektromos folyadék természetes mennyiségével telített anyag, és az anyagból és a folyadékból eredő erők kiegyenlítik egymást.” (A history of the theories of aether and electricity, 49. old.) Aepinus szavaival a Tentamen Theoriae Electricitatis et Magnetismi (1759) művéből (eredeti kiadása: play.google.com):

„az elektromos folyadék olyan anyag, amelynek részecskéi a távolság négyzetével fordítottan arányos erővel taszítják egymást, és vonzzák minden más anyag részecskéit”. Továbbá „minden más anyag részecskéi szintén taszítják egymást, és ugyanezen törvény szerint változó erővel vonzzák az elektromos folyadék részecskéit. Vagy ha az elektromos folyadékot minden más anyagtól különböző anyagnak tekintjük, akkor minden anyag részecskéi, mind az elektromos folyadék, mind a többi anyag részecskéi, a távolság négyzetével fordítottan arányos erővel taszítják az azonos fajtájú részecskéket, és vonzzák az ellentétes fajtájúakat” (idézi: scihi.org, deepl.com fordítás).

Azaz Aepnius szerint az elektromos folyadéktól megfosztott anyagrészecskék ugyanúgy taszítják egymást, mint az elektromos folyadék részecskéi. Ez a szemlélet már lényegében megegyezik a mai képpel, miszerint a töltést az elektronok hordozzák, s az elektronoktól megfosztott ionok pedig taszítják egymást.

Fémes vezetés

Továbbá Aepnius modelljével jól leírható a fémes vezetés úgy, ahogyan azt ma ismerjük. A fématomok vegyértékhéján lévő elektronok viszonylag távol vannak az atommagtól, s így gyengébben kötődnek hozzá. A fémkristályban ezek az elektronok leszakadnak az atomtörzsről, s a teljes kristály teréhez tartoznak, azaz ezek a helyhez nem kötött elektronok mintegy körbefolyják a pozitív töltésű atomtörzseket, bármikor szabadon elmozdulhatnak, s a köztük lévő elektrosztatikus erő hozza létre a fémes kötést. (kép: nkp.hu). A fémes testekre az a jellemző, hogy ha töltést kapnak, akkor a töltéstöbblet eloszlik a fém felszínén, ill. ha a fém földelve van, akkor a többlettöltés a földbe távozik és a fémes test így visszaállítja a semleges állapotát.

Az elektrodinamikában a testeket így két féle csoportba osztjuk fel: a fémek vezetők, s bennük elmozdulásra képes elektronok vannak, melyek vezetik az elektromos áramot, míg a szigetelők (pl. kenderspárga, gyanta) nem vezetik az áramot, mert az anyagukban az elektronok nem képesek az elmozdulásra. Ebben az esetben viszont a szigetelő kenderspárga miért vezette az elektrosztatikus töltést Gray kísérleteiben? Ennek a magyarázata a polarizáció.

A polarizáció

„A szigetelőkben elvileg nincsenek szabad, külső tér hatására elmozdulni képes töltéshordozók … A villamos tér hatására bekövetkező változások az. ún. szigetelő-anyagokban atomi illetve molekuláris szinten jönnek létre: a villamos tér az elektronok pályáit deformálja. Az elektron eddigi körpályája megváltozik, mert az elektron a pozitív lemez közelében (a magtól távolabb) hosszabb, a negatívnál pedig rövidebb ideig tartózkodik. Ezért a pozitív és negatív töltések súlypontja nem fog egybeesni, az atom polarizálódik, dipólussá alakul. … Ez az ún. elektron polarizáció, amely atomi méretekben minden szigetelőanyagban végbemegy külső villamos tér hatására. A polarizáció jelenségével magyarázható az átütés, a dielektromos veszteség (a szigetelőanyag melegszik), és még néhány egyéb jelenség is.” (forrás: users.atw.hu/kandolev/vill/sztatika.pdf)

Ugyanez a jelenség lejátszódhat molekuláris szinten is, amikor a molekulák eleve dipólusok. Ezek a dipólus molekulák a bennük lévő elektroneloszlás miatt egyik felük pozitív a másik felük pedig negatív töltést hordoznak, viszont a molekulák véletlenszerűen állnak be, így a töltések összességében kioltják egymást, s a test kifelé semleges. Azonban amikor a test elektromos térbe kerül, akkor a dipólusok ugyanabba az irányba állnak be. Azaz ha a spárga egyik végéhez pozitív töltést közelítek, akkor a polarizált molekulák soronként rendeződve úgy állnak be, hogy a spárga másik végén szintén pozitív töltés jelenik meg. Ugyanez a jelenség magyarázza meg azt is, hogy a töltött üvegcső miért vonzza magához a semleges papírszeleteket, hiszen azok nem rendelkeznek töltéssel, amire az üvegcső töltése hathatna (kép: wikipedia).

Más megfogalmazásban: „Az anyagot alkotó atomokban a kétféle töltés bizonyos esetekben gömbszimmetrikus képződményt hoz létre (a) ábra), amely csak a töltések közötti térben – vagyis az atom belsejében – hoz létre elektromos teret. Ilyenkor – külső tér nélkül – az atomok közötti térben az átlagos elektromos tér gyakorlatilag nulla (b) ábra). Egy másik töltéselrendeződés az, amelyben az atom vagy molekula ellenkező előjelű töltéseinek súlypontjai nem esnek egybe, vagyis a töltéselrendeződés egy dipólushoz hasonlít (c) ábra). A kötött töltések ilyen elrendezésének már ‘kifelé’ is van elektromos tere. Az esetek többségében azonban az atomok vagy molekulák közötti térben rendszerint mégsem alakul ki hosszú távú elektromos tér, mert a molekuláris dipólusok irányukat tekintve rendszertelenül helyezkednek el, így egymás elektromos terét kioltják (d) ábra).” (szöveg és kép: mono.eik.bme.hu)

„A helyzet azonban gyökeresen megváltozik, ha a szigetelőt elektromos erőtérbe helyezzük. Az eredetileg gömbszimmetrikus atomokban az elektromos erőtér hatására a töltések elmozdulnak, és a térerősség irányával párhuzamos dipólus jön létre (a) ábra), aminek már az atomon kívül is van elektromos tere. Igy az anyag a külső elektromos erőtér hatására a térerősséggel párhuzamos dipólusokat tartalmazó állapotba (b) ábra) megy át. Külső erőtér hatására ehhez hasonló végállapot jöhet létre az eredetileg rendezetlen dipólusokat tartalmazó anyagban is. Ha a dipólusok forgásképesek (és valamilyen mértékben mindig azok), akkor az erőtér hatására rendeződnek, azaz kisebb-nagyobb mértékben a térerősség irányával párhuzamos helyzet felé elfordulnak (c) ábra), aminek következtében egymás terét már nem oltják ki. Ez a jelenség a szigetelő polarizációja.” (szöveg és kép: mono.eik.bme.hu)

„A végeredmény mindkét esetben ugyanaz: a külső erőtér hatására a kötött töltések a molekulák közötti térben egy hosszú távú elektromos erőteret hoznak létre, amely a külső erőtérhez hozzáadódik. Mivel a térerősség irányába beállt dipólusok erőtere a két töltés közötti, legerősebb erőtér tartományában a külső erőtér irányával lényegében ellentétes (ábra), az anyagban létrejövő elektromos erőtér kisebb lesz, mint amilyen az anyag jelenléte nélkül lenne. A polarizáció hatását tehát az alábbi módon foglalhatjuk össze:
♦ Ha az anyagban eredetileg gömbszimmetrikus, kifelé elektromos erőteret nem mutató atomok vannak, akkor az erőtér hatására az ellenkező előjelű töltések szétválnak, így a külső erőtér irányában rendezett dipólusok jönnek létre, amelyeknek eredő elektromos erőtere van.
♦ Ha vannak az anyagban dipólus-molekulák (pl. víz), akkor külső elektromos erőtér nélkül azok átlagos erőtere a rendezetlen beállás miatt nulla, a külső elektromos erőtér azonban rendezi őket, és így lesz eredő elektromos erőterük.” (szöveg és kép: mono.eik.bme.hu)

Dörzselektromosság

„Két anyag összedörzsölésekor melyik lesz pozitív és melyik negatív? Ehhez nekünk első körben nem muszáj értenünk, hogy hogyan is zajlik az elekronok árlépése egyik testről a másikra. Fenomenologikus megközelítésben megtehetjük, hogy az anyagokat tapasztalati úton sorba rendezzük aszerint, hogy ha összedörzsöljük őket, akkor melyik lesz pozitív és melyik negatív töltésű. Az így felállítható sornak a régebbi neve az ún. „dörzselektromos sor” (triboelectric series). Itt a görög τρίβω (ejtsd: tríbó) szó dörzsölést jelent. Valójában nincs feltétlenül szükség dörzsölésre a töltések szétválasztáshoz, hanem az a momentum a fontos, hogy a testek nagy felületen érintkezzenek, amit viszont a legegyszerűbben dörzsöléssel biztosíthatunk (tehát a töltésszétválásnak elégséges, de nem szükséges feltétele a dörzsölés). Ezért a dörzselektromosság kifejezés helyett pontosabb az érintkezési elektromosság kifejezés.

A dörzselektromos sorban ha kiválasztunk két anyagot, és őket összedörzsöljük, akkor mindig a listán feljebb található anyag lesz pozitív, az alatta található pedig negatív, de ha a listán közeli anyagokat dörzsölünk össze, akkor csak minimális töltésszétválás történik. Minél távolabb van két anyag a triboelektromos sorban, annál hatákonyabban szétválnak rajtuk a töltések.” (netfizika.hu)

A dörzselektromos sor a következő:

+ POZITÍV + (pozitívvá váló, elektront leadó anyagok)

levegő

száraz emberi kéz

azbeszt

nyúlszőr

üveg

csillám

emberi haj

gyapjú

macskaszőr

selyem

alumínium

papír

gyapot (pamut)

acél

fa

plexi – poli(metil-metakrilát)

borostyán

pecsétviasz

keménygumi (ebonit)

fémek

kén

poliészterek

poliuretán (görkorcsolya kerék)

PE (polietilén)

PP (polipropilén)

PVC (polivinilklorid)

szilícium

teflon

szilikongumi

– NEGATÍV – (negatívvá váló; elektront felvevő anyagok)

A fizika jelenlegi állása szerint az érintkezési töltésátadás jelensége tulajdonképpen csak a fémeknél világos. Az atommagot körülvevő elektronok különböző energiaszinteken vannak úgy, hogy az elektronok mindig a legalacsonyabb energiaszint betöltésére törekednek, így sorban tölti be a legalacsonyabb szintről indulva az egyre magasabb energiaszinteket. Magára a fémes anyagra jellemző egy érték, hogy a legkülső vegyértékelektronok milyen (felhasadt) energiaszinteken vannak. Ha két különböző fémet összeérintünk, akkor arról a fémről, amelyen magasabb energiaszinten vannak az elektronok, átugranak a másik fémre, amelyen alacsonyabb energiaszinten lehetnek. S mivel a két fém között elektronáramlás alakul ki, a két fém között elektromos potenciálkülönbség jön létre, ami az ún. kontaktpotenciál.

„Ha azonban az egyik, vagy mindkét anyag szigetelő, akkor nincs általánosan elfogadott elmélet. Nem eldöntött kérdés például az, hogy az elektronok mellett ionok is részt vehetnek-e a töltésátadásban, netán esetleg ezek játsszák a főszerepet. Az igazság az, hogy a dörzsölési −vagy más néven tribo− elektromosság a szilárdtestfizikának egy igen érdekes, de kevéssé kutatott és mindmáig vitatott területe.” (fke.bme.hu)

A töltésmegosztás

„Mivel magyarázható viszont az, hogy az eredetileg semleges alumínium fóliát a pozitív töltésű üvegrúd magához vonzza? Ezt a jelenséget az alumínium vezetőben fellépő elektromos megosztás hozza létre. Az üvegrúd ugyanis az alumíniumban lévő vezetési elektronok egy részét a fóliának az üvegrúd felé eső peremére gyűjti, amely így negatív töltésű lesz. Ugyanekkor a fóliának az üvegrúdtól távolabbi pereme pozitív töltésűvé válik az onnan hiányzó elektronok miatt. E pozitív töltésre az üvegrúd taszítóerőt, a vele azonos nagyságú, de közelebb elhelyezkedő negatív töltésre viszont a fent említett taszítóerőnél nagyobb vonzóerőt gyakorol. Végeredményben az erősebb vonzóerő hatása érvényesül, és ezért rántja magához a fóliát az üvegrúd.” (fke.bme.hu)

Ebben a témában érdekes az origo.hu alábbi cikke, amely egy másik jelenséget értelmez hasonló módon, s mindezt úgy mutatja be, mintha egy olyan felfedezés történt volna, ami a szakembereket is meglepte:

„Mi történik, ha két pozitív elektromos töltésű fémgömböt egymás közelébe helyezünk? Taszítani fogják egymást. Vagy mégsem? Egy új eredmény szerint valami nem stimmel a középiskolából jól ismert elektrosztatikával

Mi történik, ha két pozitív elektromos töltésű fémgömböt egymás közelébe helyezünk? Taszítani fogják egymást, hiszen az azonos előjelű töltések taszítják egymást. Igaz?

Nem egészen. John Leknernek, az új-zélandi Victoria Egyetem fizikaprofesszorának nemrégiben publikált eredménye mást mutat: eszerint a legtöbb esetben a két fémgömb vonzani fogja egymást!

Az alapvető fizikai intuicíónknak ellentmondó konklúzió a szakembereket is meglepte. ‘Nem volt ismert előttem ez a jelenség, de a cikket elolvasva hihetőnek tűnik’ – kommentálta az eredményt a Nature Newsnak William Ducker, a Virgina Tech vegyészprofesszora, a molekuláris erők mérésének specialistája.”

A töltésszétválasztás

„Ha egy elektromosan töltött testet közelítünk egy vezetőhöz, akkor a vezetőben a töltés tere elektromos megosztást hoz létre. Például amikor egy bőrrel dörzsölt üvegrudat (az üvegrúd ilyenkor pozitív töltésű) közelítünk egy fémdarabhoz (vagy például egy sztaniol lemezhez), akkor a fémben lévő vezetési elektronok egy részét a pozitív üvegrúd a hozzá közelebb eső oldalára vonzza. Igen hamar (néhány nanoszekundum alatt) kialakul az elektrosztatikai egyensúly, amikoris a fémlemez üvegrúdhoz közeli oldalán negatív, üvegrúdtól távolabbi oldalán pedig (ahonnét az elvándorolt elektronok hiányoznak) pozitív töltés halmozódik fel. Amikor az üvegrudat eltávolítjuk a vezető környezetéből, a megosztás hatása eltűnik, a töltések újra egyenletesen oszlanak el. Ahhoz, hogy a megosztás nagyságát kényelmesen meg tudjuk mérni, célszerű lenne, ha a töltésszétválást valahogyan konzerválni tudnánk, hogy később a szétválasztott töltés pozitív vagy negatív részét a másiktól elválasztva meg tudjuk határozni. Kézenfekvő ötlet, hogy a töltések szeparációját úgy állandósítsuk, hogy a megosztás létrejötte után a vezető pozitív illetve negatív részeit egymástól elkülönítjük. Ekkor a megosztó tér megszűnése (pl. az üvegrúd eltávolítása) után is szétválasztva maradnak a töltések. Ezt a lehetőséget (és az elektromos megosztás jelenségét) mutatja be a következő kísérlet.” ( fke.bme.hu )

---

• A levél teljes szövege: ampere.cnrs.fr, ill. royalsocietypublishing.org
• sparkmuseum
• Stephen Gray e la scoperta della conduzione elettrica (olaszul): aif.it
• Cohen IB (1954) Neglected sources for the life of Stephen Gray: jstor.org – gyors regisztráció után ingyen olvasható