Futótűz

Az elektromosság.

Mivel az alapszakmám villanyszerelő, ezért az elektromosság mibenlétének tisztázása kicsit a szívügyem is. Nem arról van szó, hogy a villany szerelése közben okoz számomra problémát, bár néha ott is előadódnak megoldhatatlannak látszó feladatok, hanem arról szeretnék írni, ahogy a természettudomány „félre”-magyarázza az elektromosság alapjait. Az elektromos magyarázatokban, az áram, a pozitív pontból a negatív pont felé halad, holott ma már jól tudják a fizikusok, hogy az elektronok valós áramlása, ezzel éppen ellentétes irányú a gyakorlatban. Így elméleti és technikai áramirányról beszél a fizika. Az elméleti azt jelenti, hogy továbbra is úgy kell értelmezni és tanítani és tanulni az elektromos eseményeket, hogy a pozitív pont felől a negatív pont felé haladnak az elektronok, míg a technikai, azaz gyakorlati áramirány, természetesen, ezzel éppen ellentétes. Így az elektromos témaköröket tárgyaló szakkönyvek között szinte nincs is olyan kettő, amelyik teljesen azonos módon tárgyalná a témakört. Ezért a sokféle leírás egymásnak ellentmondó és zavarba ejtő.  Különösen nehezíti a félvezetős elméletek megértését, ahol a kétféle áramlási irány, már az elmélet síkján is konfrontálódik. Hiszen a félvezetők gyakorlati működése érthetetlen akkor, ha közben az elméleti áramirányt ellentétes irányultságúnak tekintjük. Nem tudom, hogy meddig ködösít még bennünket a tudomány?

Az áramfelhasználás nem más, mint az elektronok áramlása közben végzett elektromos munka. Az áram pedig, az elektronok áramlását jelenti. Egyenáramról akkor beszélhetünk, amikor az elektronok csak egy adott irányba mozognak, és az áramlás iránya, közben nem változik. Ezzel szemben, váltakozó áramról akkor beszélünk, ha az elektronok áramlása periodikusan, oda-vissza váltakozik. Hazánkban az ötven hertzes hálózati váltakozó áramot használjuk, amelynek a terjedési iránya másodpercenként ötvenszer irányt vált.

Az  tény, hogy az új kor fizikája, olyan anyag alatti részecskéket izolált, amelyeknek a töltése kisebb, mint az elektroné, esetleg „pozitív” is lehet, korántsem jelenti azt, hogy az anyagi világunkban nem az elektron képviseli továbbra is az elektromosságot. Az anyagi világunkban az elektromosság „atomját”, azaz a legkisebb elemét, az elektron jelenti. Ezért van az, hogy az elektromos áram, az elektronok mozgásával magyarázható. És tulajdonképpen, egyáltalán nem beszélhetünk az elektromosság előállításáról. Az elektronok által ugyanis, az elektromosság eleve benne van az anyagi testekben. Nem létezik anyagtól független elektromos töltés. Legfeljebb leválaszthatjuk az elektronokat az egyik testről, és átvihetjük egy másikra. Esetleg mozgásba hozhatjuk az anyagi testekben az elektronokat, mint például, a generátorokban.

A „mozdulatlan” elektronokat, és a közöttük fennálló elektromos erőket vizsgáló tudományágat, elektrosztatikának nevezik. A sztatikus elektromosság vizsgálata során, olyan elektronokat vizsgál a tudomány, amelyek nem vesznek részt elektromos áramlási folyamatokban, vagyis, viszonylag „nyugalomban” vannak.  Egy anyagi test halmaza akkor kerül elektromos állapotba, ha vagy több, vagy pedig, kevesebb elektron van rajta, mint természetes állapotában lenne. Amikor valamilyen technikával elektronokat viszünk egy természetes állapotban levő anyagi test halmazára, akkor elektrontöbbletet okozunk annál. Ilyenkor „negatív” elektromos töltést adunk egy testnek, ezt állítja a fizika. Ez annyit jelent, hogy a testre többletelektron került. „Pozitív” elektromos töltést pedig, úgy nyer egy test, hogy elektronokat veszünk le róla, ez is a fizika állítása. Vagyis, elektronhiányos állapotba hozzuk. Ennél fogva, nem az elektron a negatív, hanem csak a test állapota, ha többlettöltést nyer az elektronok által. Illetve pozitívnak minősül a test, ha elektronhiánya van. Az anyagi világunkban tehát, csak töltés van, és azt az elektron képviseli, mint az anyagi elektromosság „atomja”, legkisebb eleme.

Ilyen értelemben véve, az anyagok három alapcsoportba sorolhatóak. Vannak a vezetők, a félvezetők és a szigetelők. Ez a csoportosítás azonban nagyon durva, mert a valóságban az anyagi halmazok tökéletesen lineáris sorrendbe állíthatóak, az elektrontöbbletüket és az elektronhiányukat tekintve. Így a legnegatívabbnak ítélhető anyagi halmaztól bármilyen szintben különböző elektromos telítettségű agyagi halmaz már „pozitívabbnak” minősül. Ezért, a sor végére szoruló ”legpozitívabb” anyagi halmaz is negatív telítettségű, csak ő a legkevésbé negatív. Éppen a töltéskülönbözőségük hozza őket egymáshoz képest negatívnak vagy pozitívnak mondható állapotba. Ez mindig attól függ, hogy milyen atomos, molekuláris, illetve rács alapú szerkezetekbe vannak rögzítve. A szerkezetkialakításuk módja határozza meg ugyanis azt, hogy egyensúlyosak maradnak-e, elektrontöbblettel rendelkeznek-e, vagy elektronhiány jellemzi-e a létezésüket. A fémek legtöbbször elektrontöbbletes, kationos szerkezeteket hoznak létre. Így a fémek és a vezetők, elektronfelesleggel rendelkeznek, ezért a többletelektronjaik által alkalmasak arra, hogy az elektromos áram útját közvetítsék. A nemfémes elemek pedig, elektronhiányos, anionos szerkezetűek, ezért félvezetők készülnek belőlük. A jó szigetelők pedig, az elektrosztatikusan semleges anyagokból kerülnek ki.

Az ionok elméletét Michael Faraday jegyezte le, a XVIII. században, ahogy a folyadékokban működő atomok viselkedését szemlélte. Az ionok, az egyenáramú áramforrás sarkaihoz csatlakoztatott, és az elektrolit folyadékba merített anódjához, vagy katódjához vonzódtak. Innen ered az ionok elnevezése is. A negatív töltésű ion, más néven kation, olyan atom vagy molekula, melynek egy vagy több elektrontöbblete van, az anion pedig, olyan pozitív töltésű atom, vagy molekula, amelyben egy vagy több elektronhiány van, mint az eredeti részecskében lenne. A folyamat, mely során létrejönnek az ionok, az ionizáció. A bonyolultabb szerves molekulák ikerionos állapotba is kerülhetnek, olyankor egyszerre mutathatnak anionos és kationos tulajdonságokat is. Általában a folyadékok és a gázok kerülnek könnyen ionos állapotba. Mivel a folyadékokban és a gázokban, az atomok és a molekulák könnyen mozoghatnak, ezért az ionos vegyületekben nem pusztán az elektronok vezetik az áramot, hanem az ionos szerkezetet biztosító atomok és molekulák. Nem engedik egyedül érvényesülni az elektronjaikat. Ezért az ionos vegyületekben jóval lassabb az áramlás folyamata, viszont az elektrontöbblettel rendelkező ionjaik olyan molekulákkal kapcsolódnak közben, amelyek elektronhiányban szenvednek, és azt elszállítják magukkal az áramforrás kapcsaival táplált pontokhoz. Így működik például, a galvanizálás folyamata.

Galvanizáláskor az egyenáramú feszültségforrás pólusaihoz kötik a fémmel bevonandó tárgyat, és a bevonó-fém anyagi tömbjeit. Majd a bevonó fém sóját tartalmazó ionos oldatba merítik őket. A bevonandó fémtárgyat az áramforrás negatív pólusára kapcsolják, így az oldatban katódként érvényesül, míg a bevonó fémtömb lesz az elektrolit anódja, ezért azt az áramforrás pozitív pólusához csatolják. A rákapcsolt áram hatására, a bevonó fémtömb ionjai, a bevonandó fémtárgyra vándorolnak, és rakódnak le ott. Így sima és egyenletes fémbevonat vihető fel a bevonó-fém ionjait tartalmazó oldatból, az úgynevezett fürdőből, a bevonandó tárgy egyenletes felületére. Általában fémtárgyakat vonnak be így vékony fémréteggel, díszítés céljából, vagy a korrózió megakadályozására. Díszítés esetén, valamilyen értékesebb fémet, például aranyat vagy ezüstöt használnak, valamilyen vas, vagy réztárgy díszítésére. A korrózió ellen, főleg vas tárgyak felületére galvanizálnak cinket, nikkelt vagy krómot. Nemfémes tárgyakat is be lehet vonni így vékony fémréteggel, ha előtte, az áramot jól vezető grafittal vonják be, mert azután már éppen ugyanúgy viselkedik az elektrolitos oldatban, mint egy más bevonandó fémtárgy.

A hidrogén ionjai:

Mivel csak egy elektronnal rendelkezik, és elektronhéja két elektronnal telítődik, így a hidrogénatom egy elektron felvételével vagy leadásával egyaránt ionná alakulhat. Így pozitív töltésű hidrogénion a magányos, elektron nélküli proton: H⁺, és a negatív töltésű hidrogénion pedig, már két elektronnal rendelkezik: H^-.

Az oxigén ionjai:

Amikor az oxigént ionizáló hatással dúsítják, akkor olyan levegő, vagy víz állítható elő, amely a szervezetre nézve jótékony hatású. A negatív telítettségű oxigén ionok több elektront tartalmaznak. Eső után, vagy vízesések közelében, hegyekben ilyen a levegő. Élettani hatása levegőben és folyadékokban, külön irodalmat igényelne.

A periódusos rendszer meghatározott kémiai elemeinek atomjai között különböző tömegszámú atomfajták is vannak. Ezeket az atomfajtákat hívjuk az adott elem izotópjainak. Izotópoknak nevezzük tehát, azokat az atomokat, amelyek magjai azonos számú protonból de eltérő számú neutronból épülnek fel. Ebből következik, hogy egy adott elem izotópjai ugyanazt a helyet foglalják el a periódusos rendszerben. Innen kapta az elnevezését is, hogy izotóp, vagyis azonos hely. Ugyanakkor a tömegszámuk mégis eltérő. Így egy realisztikusabb periódusos rendszerben, fel lehetne tüntetni a tiszta elemek mellett, az ionos és izotópos megjelenési lehetőségeiket is. Akkor ugyanis, nagyon valószínű az, hogy egy lineáris anyaglétezési skálát kapnánk eredményül, a magányos protontól kezdve.

A hidrogén izotópjai: A természetes hidrogén, a létező három féle izotópjának a keveréke.

Prócium: Ritkán használt kifejezés, mert a magja csak egy protont tartalmaz, így helyette többnyire csak a hidrogén nevét mondják,: ¹H - rövidebb jelölése: H,  

Deutérium: ²H, magjában egy neutron is található, a proton mellett, jelölése: D, a deutérium-mag neve deuteron – jelentése második, jele – d

Trícium: ³H, radioaktív, magja két neutront tartalmaz, egyetlen proton mellett, jelölése: T, a trícium-mag neve triton – jelentése harmadik, jele – t. Bomlási ideje 12.5-év.

Az oxigén izotópjai: Az oxigénnek három stabil izotópja van. További 14 izotópja ismert még, amelyek viszont, már nem stabil képződmények.

Nos hát, ha figyelembe vesszük azt, hogy például, a víz összetevői, amit a két rész hidrogén és az egy rész oxigén jelent, milyen széles ionos és izotópos skálájú lehetőségekkel bír, akkor azonnal szembe tűnik az a lehetőség is, hogy a többi anyagi halmaz is milyen sokrétű összetevőket tartalmazhat, egyazon anyagi minőség esetén is. Földünkön a tiszta elem, a tiszta vegyület, vagy a tiszta anyagi halmaz a legritkább. Ezek a vegyi különbözőségek teszik lehetővé azt, hogy az anyagi halmazok alkotóelemei úgy kapcsolódjanak egymáshoz, hogy az elemeik látszólagos semlegessége mellett, mégis maradnak szabad elektronjaik, amelyek az elektromos hatásokat közvetíteni képesek. Ennél fogva, létezik olyan elektromos hatás is, amelyik éppen az ionos és az izotópos jellemzőségekre támaszkodva jön létre. Ilyen például, a galvanizálás folyamata, az elemek és akkumulátorok működése, vagy az élő sejtes szervezetekben végbe menő elektromos folyamatok nagy része. Mert az elektromosság szempontjából tekintve, az élő sejtek anyagi összetevői, ionos oldatok, amelyek elektrolitokként funkcionálnak.

A legáltalánosabb elektromos kifejezések jelentései:

Elektromos töltés: Az anyagi világunkban az elektron képviseli az elektromos töltést. Sem pozitív, sem pedig, negatív vonzata nincsen. Éppen általa válik pozitív vagy negatív értelemben elektromossá egy anyagi test, ha elektronhiánya vagy elektronfeleslege alakul ki.

Elektromos tér, vagy mező: Az elektronok hatása az őket körülölelő környezetre, amelyben a mágneses hatások terjednek. Az elektronok ugyanis, nem csupán az atommagok körül keringenek, hanem a saját tengelyük körül is forognak, vagyis spinjük van. És ez által, befolyásolják azt a közeget, amelyikben mozognak, magukkal ragadják annak oszthatatlan részecskéit. És ebben a mágneses térben kialakult elektromos okokra visszavezethető állapotváltozás az elektromos tér, vagy mező. Majd elektromos mezőként hat a mágneses hatásokat közvetítő tér, a többi közeli elektronra azért, hogy általa mielőbb megtörténjen az egyensúly megteremtése.

Elektromos töltéskiegyenlítődés: Az anyagi testek elektrosztatikusan egyensúlyos képződmények. Ennél fogva, ha többletelektronokkal terheljük őket, akkor a frissen érkező elektronok, amelyek a potenciálkülönbséget idézik elő a testek között, mindig az adott test felületén maradnak. Ha a test felülete éles, sarkos, vagy csúcsban végződik, akkor azokon a pontokon csoportosulva várják ki az elektrosztatikus kiegyenlítődés legközelebbi lehetőségét. Mivel pedig, a párás levegő is vezetőnek minősül, ezért a potenciális érdekkülönbség és a páratartalom függvényében jön létre az elektromos töltéskiegyenlítő folyamat. A levegő pedig, mindig rendelkezik páratartalommal.

Elektromos potenciál: Az a tény, hogy az egyik anyagi testről a másikra lehet átvinni elektronokat, azt eredményezi, hogy közöttük, elektrosztatikus szempontból töltéskülönbség lesz. Az elektrosztatikus kiegyenlítődés kényszere miatt, ez a helyzeti, azaz potenciális töltéskülönbözőség, minden lehetséges alkalmat megragad arra, hogy kiegyenlítse, egyensúlyba hozza, a testek között kialakult elektromos eltérést. Ha a testek nem érintkeznek, akkor csak a közöttük lévő levegő halmazának közvetítő szerepével jöhet létre a töltések kiegyenlítő folyamata, ha elég páradús az. Azaz ívkisüléssel, amilyen a villám is a természetben.

Elektromos feszültség: Olyan elektromos potenciálkülönbség, amely az elektrosztatikus töltéskiegyenlítődésre várakozik, és ennek érdekében elektromos munka végzésére is képes. Tulajdonképpen azt mutatja meg, hogy mekkora elektromos energia várakozik az elektrosztatikus kiegyenlítődés folyamatára. Általában az áramforrások biztosítanak elektromos feszültséget számukra azért, hogy általuk áramkört alakíthassunk ki, valamilyen elektromos fogyasztó működtetésére.

Elektromos telep: Olyan anyagi szerkezetek, amelyek vegyi úton képesek potenciális érdekkülönbözőség által elektromos feszültséget fenntartani, két fix pólusaik között, ami egy elektromos fogyasztó által, elektromos munkára fogható. Ilyenek az elemek és az akkumulátorok. Bennük a munkavégzésre fogható elektronokat, a negatívnak nevezett pólusaikhoz halmozza fel a telep. 

Elektromos generátor: Olyan anyagi szerkezetek, amelyek elektromágneses úton képesek, az indukció jelensége által, potenciális  érdekkülönbözőség feszültségét előállítani és fenntartani, ami egy elektromos fogyasztó által, elektromos munkára fogható. Bennük a munkára fogható elektronokat, a negatívnak nevezett pólusukhoz halmozza fel a generátor.

Elektromos fogyasztó: Olyan ellenállás az áramkörben áramló elektronok útjában, amelynek a legyőzésére irányul az elektromos munkavégzés folyamata. Így az elektromos munka a fogyasztó állapotváltozásán mérhető le.

Elektromos áram: Elektronok áramlása egy zárt áramkörben, amely elektromos munkát végez valamely ellenálláson, ami az áramlásuk útjába esik. Az elektromos áram munkavégzésének arányában történik az elektromos energia felhasználása. Egyenáram esetén egyirányú az elektronok áramlása, míg váltakozó áram esetében, a meghatározott frekvencia függvényében változik az iránya, másodpercenként.

Elektromos energia: Olyan elektromos hatás, amely az elektronok által fennálló töltéskülönbözőség kiegyenlítésére törekszik, vagyis elektromos töltésegyensúlyra.

Elektromos erő: Olyan erő érvényesülése, amit valamely áramköri ellenállás, mint fogyasztó, közvetlen elektromos változásával jut érvényre az objektív valóságunkban akkor, amikor a szubjektív elektromos energia éppen munkát végez rajta. Vagyis, olyan erő, amit az elektromos gépekből nyerünk. Így válik az elektromos energia elektromos erővé, a fogyasztóink által.

Elektromos hatás: Minden olyan változás, amelyet elektronok provokálnak ki. Így éppúgy elektromos hatás az, ami az elektromos munka során, elektromos erőként alakul ki a fogyasztókban, és az is, amit a szubjektív alaphalmaz oszthatatlan alaptömegei között kialakuló elektromos erőtér is jelent. Az egyik objektív hatása az elektromosságnak, míg a másik szubjektív.

Elektromos munka: Az elektromos energia elektromos erővé való átalakítása során jut érvényre, és azt jelzi számunkra, hogy mennyi energia lett felhasználva közben, a teljes munkavégzés idejére.

Elektromos teljesítmény: Az elektromos energia elektromos erővé való átalakítása során jut érvényre, és azt jelzi számunkra, hogy mennyi energia lett felhasználva, a teljes munkavégzési folyamat egy másodpercnyi ideje alatt.

Az elektron:

Elektron a borostyánkő ókori neve, arra utal, hogy megdörzsöléskor sok elektront vesz fel, és e miatt elektromos állapotba kerülve, magához vonzza a kisebb tárgyakat, amelyek elektrosztatikus szempontból nézve kevésbé töltöttek. A borostyánkő ezen tulajdonsága miatt nevezték el a felfedezésekor, az anyag elemi töltéshordozóját, elektronnak. Az elektronok az atomok, külső burkát képezik, egyfajta elektronfelhő látszik a mikroszkopikus felvételeken. Az elektronok az atommagok körül keringenek. Számuk megegyezik a protonok számával, vagyis az elem rendszámával, ezért az atomok kifelé elektromos semlegességet mutatnak. Méretüket tekintve, 1800-szor kisebb tömegűek, mint a protonok. Anyagi világunkban, minden elektromos töltés ennek az elemi töltésegységnek valamely többszöröse. Így a töltés összeadódó mennyiség, és mindig megmarad, a hőmérséklethez hasonlóan mindig elektrosztatikus egyensúlyra törekszik. Sebessége az atommag körül, körülbelül százezer kilométer per másodperc, azaz egyharmad fénysebesség. A tudomány elemi részecskének tartja, mert még nem tudja tovább bontani. Pedig, a valós oszthatatlant képező ponthoz képest, az elektron gigantikus méretű, összetett test. Ezt igazolja az elektromos és a mágneses tér is, amit az oszthatatlanok építenek fel.

Az atomok alkotóelemeinek pozitív, semleges és negatív jelzőit a tudomány határozta meg, és azok a tulajdonságaik, a részecskék mágnesekkel szembeni magatartásra utalnak. Gyakorlatilag úgy viszonyítják őket, hogy egy patkó alakú mágnes pólusai közé „lövik” a vizsgálandó részecskéket, ahol homogén a mágneses tér, és műszerekkel azt figyelik, hogy az adott részecske haladása, melyik irányba térül el az egyenestől. Így nyernek a részecskék pozitív vagy negatív értékeket, kizárólag a mágneses pólusokhoz viszonyulva.

- Ha a vizsgált részecske haladási iránya, nem térül el az egyenestől, akkor semlegesnek minősül, mert elektrosztatikus töltéssel nem rendelkezik, ezért elektromos teret nem képvisel maga körül, így a mágneses térbe érve, nem befolyásolja a haladását a mágneses mező. Ilyen részecske például a neutron.

- Ha a vizsgált részecske haladási iránya, a mágnes északi pólusa felé térül el az egyenes iránytól, akkor pozitívnak minősül, mert nincsen elektromos telítettsége, de testként olyan alkotóelemei vannak, amelyek képesek lennének elektromos töltést felvenni. Így a saját tömege felé, azaz befelé irányuló elektromos tér jellemzi. Ezért a haladási iránya a mágneses tér felépülésével ellentétes, vagyis a mágnes északi pólusa felé irányul. Ilyen részecske a proton.

- Ha a vizsgált részecske haladási iránya, a mágnes déli pólusa felé térül el az egyenes iránytól, akkor negatívnak minősül, mert az elektrosztatikus telítettség állapotában van, vagyis elektromosan töltött részecske, amelyik a tömegétől kifelé irányuló elektromos mezővel rendelkezik. A mágneses térbe érve, a kétféle mező hatása konfrontálódik. Ezért a haladási iránya, a mágneses tér mezejének felépülésével azonos irányba térül el, vagyis a mágnes déli pólusa felé irányul. Ilyen részecske az elektron.

Az atomok alkotóelemei tehát, a proton, a neutron és az elektron, nem azért nyertek pozitív vagy negatív minősítést, mert elektrosztatikus szempontból pozitívak vagy negatívak lennének, hanem azért, ahogyan viselkedtek, áthaladva a homogén mágneses téren keresztül. Így továbbra sem mondható az, hogy a proton pozitív töltés, míg az elektron negatív. A proton pozitívnak ítélt jellege csupán arra utal, hogy benne fizikai alkotóelemként egységnyi elemi töltéshordozó van, de az elektrosztatikus hatását tekintve, sokkal gyengébb telítettségű, mint az elektronok töltése. Egy objektív anyagi részecske, testként vagy töltött, vagy töltetlen, elektrosztatikus szempontból nézve. Mivel pedig, az atommagok és a köpenyszerkezetüket alkotó elektronok között, potenciális töltésmennyiségi különbözőség áll fenn, ezért a mag csupán relatív töltéssel bírhat, az elektronköpenyéhez képest, így pozitív jelleget képes mutatni. A pozitívnak megismert atommagtöltés tehát, relatív töltés csupán, amely ugyanúgy negatív telítettségre alkalmas részecskékből tevődik össze, csak sokkal kevésbé telített elektrosztatikus állapotú részecskékből. Mert az atommagok nincsenek olyan aktív kölcsönhatásban a szubjektív alaphalmazzal, ami az elektrosztatikus telítetlen állapotukat kiegyensúlyozhatná, az aktív elektronjaik elektrosztatikus telítettségével. Így az atommagok azért nyertek pozitív” minősítést, mert sokkal kevésbé „negatívak”, mint az elektronok. Az atommagok protonjai relatívan pozitívak, mert elektrosztatikus töltésigényt produkálva tartják fenn az elektromos kapcsolatot az elektronjaikkal. Vagyis, természetszerűen elektrosztatikus töltéskülönbözőség áll fenn közöttük. Az atommagok telítetlenek, míg az elektronok, elektrosztatikus értelemben véve, telített összetett részecskék. És éppen a szubjektív alaphalmaz telíti őket, az aktív közvetlen kölcsönhatásuk útján.

Matécz Zoltán 

2010.05.27.

matecz.zoltan@gmail.com