Jeszenszky Sándor

Az elektrotechnika kezdete

Az elektrotechnika története lényegesen különbözik a technika egyéb ágaitól. Míg a bányászat, a kohászat, az építészet vagy a mezőgazdaság kezdetei a történelem előtti időkig nyúlnak vissza, az elektrotechnika története alig 200 éves. Ez a megállapítás látszólag ellentmondásban van azzal a közismert ténnyel, hogy már a ókorban is ismerték a dörzselektromosságot. A görög tudósok több mint 2000 évvel ezelőtt észlelték, hogy a megdörzsölt borostyán magához vonzza az apró, könnyű tárgyakat, tollat, pihét. Innen ered az elektromosság elnevezés: görögül a borostyánt elektronnak hívják. Csakhogy annak még a gondolata sem vetődött fel, hogy a villamosságot gyakorlati célra hasznosítsák.

A görög kultúrát követő évezredes csend után az angol Gilbert 1600-ban megjelent De Magnete (A Mágnesekről) c. könyve foglalkozott tudományos igénnyel a mágnességgel és villamossággal. Ismerte a mágneses vonzást és taszítást, de a villamosság körében csak a vonzást. Az első dörzselektromos gépet, amely több töltést tudott adni mint a megdörzsölt borostyánkő, Otto von Guericke, a híres magdeburgi polgármester készítette 1660 körül. A gép egy tengely körül forgatható kéngolyó volt. A kísérletező személy tenyerét ráhelyezte a forgó golyóra, amely a surlódás következtében feltöltődött. Newton 1704-ben az Optikában a villamosságot nagyon finom folyadékként írta le, amely kilép a megdörzsölt borostyánból és felhőként veszi körül. Ez volt a fluidium elmélet, az első próbálkozás a villamos erőtér magyarázatára. Ezt az elméletet egy évszázadon keresztül elfogadta a tudomány.

Newton elméletét kísérletek követték. Nem csak a fizikai laboratóriumokban, hanem a francia felvilágosodás korának főúri szalonjaiban is. Divat lett a tudomány, különösen a misztikusnak tűnő villamosságtan. A kísérletek során a villamosság sok tulajdonságát ismerték meg. Felfedezték, hogy kétféle töltés létezik, pozitív és negatív, s azt is, hogy a különböző töltések vonzzák, az azonosak taszítják egymást. A töltés kimutatására műszert, ún. elektroszkópot készítettek. A további próbálkozások arra irányultak, hogy minél több töltést tudjanak összegyűjteni. Ez a holland Musschenbroeknek sikerült 1746-ban leideni palack nevű készülékével, mai szóhasználat szerint egy kondenzátorral. Ha fémvezetékkel sütik ki a leideni palackot, nem is kell teljesen összekötni a fegyverzeteket, néhány centiméterre megközelítve a nagyfeszültség átüti a levegőt, s fényes, hangosan csattanó szikra keletkezik.

1. ábra: Leideni palack töltése dörzselektromos géppel

A leideni palack szikrája feltűnően hasonlított a természet titokzatos és félelmetes jelenségére, a villámra. Benjamin Franklin joggal feltételezte, hogy a villám hatalmas villamos szikra. A végső bizonyítékot híres sárkánykísérlete adta 1752-ben. A zivatarfelhőbe felbocsátott sárkány vezetéke töltést vezetett le a felhőből. Innen már csak egy lépés kellett a villámhárító feltalálásához. Ha a villám villamos kisülés, töltése a háztetőre szerelt hegyes fémrúddal és a hozzákapcsolt vezetékkel a földbe levezethető, az épület megvédhető pusztító hatásától. Ez volt az új villamosságtani ismeretek első gyakorlati hasznosítása, de még nem nevezzük elektrotechnikának, mert nem a villamosságot hasznosította, ellenkezőleg: hatását igyekezett semlegesíteni.

2. ábra: Franklin sárkánykísérlete

Az új tudomány Magyarországon is talált követőkre. A Nagyszombati Egyetem 1746-ban “De Vi Electrica” (Az Elektromos Erőről) címmel könyvet adott ki. Ez volt az első kifejezetten villamosságtani mű Magyarországon, természetesen még latin nyelven. Hatvani István (1718 - 1786), a Debreceni Református Kollégium híres professzora Hollandiából hozatott elektromos kísérleti eszközöket, az azokkal végzett kísérletei alapján nevezték magyar Faustnak, utalva a Faust-legenda ördöggel cimboráló tudósára.

1785-ig a villamosságtan minőségi (kvalitatív) vizsgálatokat végzett. Ekkor azonban a fizika már nem elégedett meg a jelenségek leírásával, hanem mennyiségi (kvantitatív) méréseket és matematikai formába önthető törvényeket követelt. Többen is foglalkoztak a pontszerű töltések közötti erőhatás mérésével és számításával, végül Coulomb 1785-ben megjelent cikke ismertette a két töltés közötti erő törvényét. A 19. század elején már ismert volt a villamos potenciál és feszültség fogalma is. Az elektrosztatika nagykorú tudománnyá vált.

Valami azonban még hiányzott. A villamos áram, a mozgó villamos töltés, azaz az elektrodinamika tudománya. Ehhez azonban a 18. század végéig nem állt rendelkezésre megfelelő áramforrás. A dörzselektromos gépek csak nagyon kevés töltést tudtak előállítani, áramuk csupán néhány mikroamper (milliomod amper) volt. Ilyen gyenge árammal nem lehetett kimutatni az áram jellegezetes hatásait. Új áramforrásra volt szükség, amely legalább néhány amper erősségű áramot tud adni. Az új áramforrás a galvánelem, mai zseblámpaelemeink őse volt.

Érdekes, hogy a galvánelem nem feltalálójának nevét viseli. Az olasz Luigi Galvani 1786-ban észlelte, hogy egy békacomb boncolásakor a comb áramütésre utaló módon összerándul, ha egyidejűleg két olyan különböző fém ér hozzá, amely valahol egymással is érintkezik. Ez volt a híres békacomb-kísérlet. Galvani azonban az eredményt hibásan értékelte, zsákutcába jutott. Mivel a jelenség külső áramforrás (feltöltött leideni palack) nélkül is létrejött, eredetét a békacombban kereste. Feltételezte, hogy a villamosság magában az állatban található. (Ennek is megvolt a maga logikája, hiszen ismerték a villamos angolnát, amely a leideni palackéhoz hasonló áramütést tud adni.) A szintén olasz Alessandro Volta kétkedéssel olvasta Galvani cikkét, s vizsgálatait a hatást kiváltó fémekre irányította. Különféle fémpárokkal és sók vagy savak vizes oldatával végzett kísérletei során megállapította, hogy csak a sejtekben lévő sóoldatnak van szerepe a kísérletben, a békacomb egy nedves posztókoronggal helyettesíthető. Kísérletei alapján állította össze a úgynevezett Volta-oszlopot, az első elektrokémiai áramforrást. Ennek tökéletesített változata a galvánelem, savas folyadékba helyezett ezüst- és cinklemezekkel. Feltalálója Volta, aki tiszteletből Galvaniról nevezte el az elemet.

3. ábra: Galvántelep

Volta 1800-ban ismertette találmányát. Ez a dátum az elekrotechnika születésének éve. A galvánelem áramával megkezdődhetett a villamosság gyakorlati felhasználása és az áram hatásainak vizsgálata. Már az első évben sikerült villanyárammal felbontani a vizet, majd az angol Humphrey Davy sóolvadékokból addig ismeretlen alkálifémeket állított elő. Az ipari alkalmazás első területe a galvanizálás volt. Különösen a nemesfém bevonatok készítése hozott komoly gazdasági sikert. 1802-ben Davy két szénrúd között fényesen ragyogó villamos ívet húzott. Ennek a kísérletnek volt az eredménye az ívlámpa, amelyet 1812-ben mutatott be a Royal Institutionban. Elképzelhető, milyen hatást gyakorolt a közönségre a többezer gyertyafényű villanyvilágítás a gyertya és olajmécses korában. Megismerték az áram hőhatását, galvánteleppel sikerült sárgásfehér izzásban tartani vékony platinahuzalt. Fénye mellett olvasni lehetett. Ez volt az izzólámpa őse.

4. ábra: Villamos ívfény

A tudósok sejtették, hogy a villamosság és a mágnesség között valamilyen kapcsolat lehet. Hosszas kísérletezés után a dán Oersted 1820-ban felfedezte, hogy a villamos áram kitéríti a közelében levő iránytűt. A francia Ampére néhány héten belül matematikai formába öntötte a villamos áramok egymásra gyakorolt erőhatásának törvényét. Ez az elektrodinamika, azaz a mozgó villamos töltések erőtörvénye, az elektrosztatika Coulomb erőtörvényének párja. Ampére arra is rájött, hogy a zárt áramkör, az áramhurok egy kis állandó mágnesnek felel meg. A hurkok számának növelésével, azaz tekercs készítésével növelhető a mágneses hatás. Rövidesen olyan erős elektromágneseket tudtak készíteni, amelyek akár többszáz kilogramm tömegű vasdarabot is meg tudtak tartani. Ha kikapcsolták az áramot, a vasdarab lezuhant. Az elektromágnes az 1830-as években két nagyon fontos találmányban is alapvető szerepet játszott, egyik a villanymotor, másik a villanytávíró volt. Elektromágnes közelébe iránytűt helyeztek, amelynek kitérésével már mérni tudták az áramot. Ez volt a galvanométer.

Az áram mágneses hatásának láttán felvetődött a gondolat, hogy a folyamat esetleg megfordítható, a mágnes a közelében lévő vezetékben áramot hozhat létre. Többen is próbálkoztak, de eredménytelenül. Hiába helyeztek patkómágnest vagy elektromágnest egy vezetékhurok vagy tekercs közelébe, a hozzá kapcsolt galvanométer nem jelzett áramot. Ampére ugyan észrevette, hogy egyes esetekben megmozdult a galvanométer mutatója, de mivel tartós kitérés nem volt, jelentéktelen mellékjelenségnek minősítette. Végül az angol Michael Faraday, aki könyvkötőinasból önképzéssel lett korának legnagyobb kísérleti fizikusa, fejtette meg a rejtélyt 1831-ben. Rájött, hogy a mágneses tér változása indukál áramot, az állandó mágneses tér nem. A galvanométer akkor mutatott (egy pillanatra) áramot, amikor a mágnest a tekercs mellé helyezték, vagy amikor az elektromágnest be- vagy kikapcsolták. Rájött, hogy ez nem mellékjelenség, hanem éppen a dolog lényege: ez az elektromágneses indukció. Ugyanabban az évben az amerikai Joseph Henry felfedezte, hogy egyetlen tekercs saját áramának változása is indukál feszültséget a tekercsben, azaz felfedezte az önindukciót.
 
Az indukció alapján megkezdődött az áramfejlesztő gépek, a generátorok fejlesztése, amelyek mechanikai munkát alakítanak át villamos energiává. Ma a villamos energiát generátorokból kapjuk, amelyeket hajthat víz- vagy gőzturbina, a gőz fejlesztése történhet szén, olaj vagy gáz elégetésével, vagy az atomreaktorban keletkező meleggel. Hajthatja a generátort a szél vagy a napsugárzás energiája is, de ez napjainkban sajnos még csak elenyésző részét fedezi energiafelhasználásunknak. A galvánelemek alkalmazása a hordozható készülékek területére (rádiók, sétálómagnók, zseblámpák) szorult vissza.

Az 1820-as években tehát már ismert volt a feszültség és áram fogalma, de a kettő közötti összefüggés még nem. Még nem tudták, hogy mitől is függ az áram nagysága. Azt már észrevették, hogy egyes anyagok kisebb, mások nagyobb akadályt gördítenek az áram útjába, azaz kisebb vagy nagyobb az ellenállásuk. Legkisebb ellenállása az ezüstnek van, de nem sokkal több a gyakorlatban is használható rézé. A vezeték ellenállása hosszával egyenesen, keresztmetszetével fordítva arányos. A feszültség, az ellenállás és az áram közötti kapcsolat egyenleteit a német Georg Simon Ohm írta le 1827-ben, ez a híres Ohm-törvény.