A nagy tévhit az elektromosságról

A videót az alábbi linken érheted el:

https://youtu.be/bHIhgxav9LY

Képzelje el, hogy egy hatalmas áramkörrel rendelkezik, amely egy akkumulátorból, egy kapcsolóból és egy izzóból, meg két, egyenként 300.000 kilométer hosszú vezetékből áll. Pontosan ennyi távolságot tesz meg a fény egy másodperc alatt. A vezeték együttes hossza a Föld-Hold távolság mintegy fele. Elméletileg tehát ekkora távolságot tesz meg az elektromos áram, hogy elérjen a vezetékre kötött izzóhoz, ami valójában a két vezeték között 1 m-es távolságban van.

A kérdésünk az, hogy mennyi idő múltán gyullad ki az izzó, miután bekapcsoltam a kapcsolót:
Fél másodperc, vagy egy másodperc, 2 másodperc, vagy 1/c másodperc múlva, vagy más időpontban kezd-e el világítani a lámpa?

Egyszerűsítsük az áramkör leírását: Tegyük fel, hogy a vezetéknek nincs ellenállása, mert ellenkező esetben nem működne a dolog. Ellenállás hiányában az izzónak azonnal fel kellene gyulladnia, ahogyan zárom az áramkört. De ettől függetlenül várom a választ a kérdésre és a válaszok indoklását is. Meg azt sem szeretném, ha majd azt mondanák, hogy hiszen én is tudtam ezt, amikor majd a végén elárulom a választ.

Ez a kérdés valójában az elektromos áram terjedésének módjára vonatkozik, pontosabban arra, hogy hogyan jut el az áram az erőműtől Önhöz, a fogyasztóhoz. Az akkumulátorral ellentétben az elektromos elosztó hálózaton nem egyenáram, hanem váltakozó áram formájában érkezik az elektromos energia. Ez azt jelenti, hogy a vezetékben meghatározott ütemben „ugrálnak” az elektronok, másodpercenként meghatározott számban változik a polaritásuk és ennek megfelelően haladnak egyszer előre, majd hátra. Valójában tehát nem mennek sehova. Így ha nem jön a töltés, az „utánpótlás” az erőműtől az otthonába, akkor hogyan jut el mégis az áram, az energia a fogyasztóhoz?

Amikor erről a témakörről tartok előadást, akkor azt mondom, hogy az elektromos vezetékek úgy viselked-nek, mint ez a műanyag tömlő és a vezetőben lévő elektronok úgy mozognak, mint ez a lánc. Az erőmű másodpercenként 60-szor nyomja és húzza az elektronokat ebben a virtuális tömlőben. Az Ön otthonában pedig mondjuk egy kenyérpirítót csatlakoztat az elektromos hálózathoz, ami lényegében azt jelenti, hogy szabad utat ad az elektronoknak, hogy áthaladjanak rajta. Így amint az erőmű tolja és vonja az elektrono-kat, azok ellenállásba ütköznek a kenyérpirító szerkezeti elemeiben, vagyis a fűtőszálaiban és hő formájá-ban leadják az energiájukat. Eredményeként elkészül a pirítós. Nagyjából így írhatjuk le a folyamatot, amit a videón remélhetőleg mindenki számára érthetően szemléltettünk. Az egyetlen probléma az, hogy a dol-gok valójában nem így történnek!

Az egyik probléma, hogy nem folytonos a vezeték az erőmű és a fogyasztó között. Számos akadály van a két végpont között beépítve, amelyek mindegyike szakadást okozna a folyamatos elektronáramlásban. Ilyenek például a transzformátorok, ahol a primer, az „erőmű felőli” oldalon egy nagy tekercs van, a másik oldalon pedig egy másképpen kialakított tekercs van beépítve. A két tekercs egymástól el van szigetelve, nincs közvetlen huzalkapcsolat a két tekercs között, így az elektronok nem tudnak az egyik vezetéksza-kaszból a másikba közvetlen vezetékkapcsolaton keresztül átjutni.
A másik probléma, hogy ha az elek-tronok szállítják az energiát az erőműtől a fogyasztóhoz, akkor amikor éppen visszafele áramlanak, miért nem viszik vissza az energiát a fogyasztótól az erőműbe? Amennyiben kétirányú az elektronáramlás, akkor miért csak az egyik irányban történik energiaátadás?

Nos, ezek a legfontosabb téves elképzelések az elektromos energia terjedésével kapcsolatban. Téves az a feltételezés, hogy az elektronoknak maguknak van energiájuk. De ha tévesek ezek az elképzelések, akkor mi történik valójában?

Az 1860-as és 70-es években hatalmas áttörést jelentő felfedezések történik ezen a téren. Közelebb kerül-tünk a világegyetem működésének megértéséhez, amikor James Clerk Maxwell skót fizikus felfedezte, hogy a fény az elektromos és mágneses tér rezgésének eredményeként jön létre. Ezek a terek egymásra merőleges síkban és azonos fázisban rezegnek. Ez azt jelenti, hogy amikor az egyik erőtér rezgésszáma a legmagasabb értéket éri el, ugyanilyen frekvencián rezeg a másik tér is. Maxwell ezen felismerés alapján dolgozta ki az elektromos és a mágneses tér és a hullámok viselkedését leíró egyenleteit. Ezeket Maxwell-egyenletekként ismerjük. Viszont 1883-ban Maxwell egyik korábbi egyetemi hallgatója, John Henry Poynting újragondolta az energiatárolás elvét. Úgy vélte, hogy amennyiben az energia a tér apró alkotó-elemeiben helyben tárolódik, akkor nyomon is kellene tudnunk követni azt, hogy hogyan jut el az energia az egyik pontból a másikba. Gondoljunk csak arra, hogy hogyan jut el a Nap energiája hozzánk az alatt a nyolc perc alatt, amennyi idő alatt a fény a Napból a Földre ér. Rájött arra, hogy az energia a fény elektro-mos és a mágneses terében tárolódik és továbbítódik. Poynting erre vonatkozóan dolgozta ki az energia-áramlást leíró egyenletet, vagyis azt, hogy mennyi elektromágneses energia halad át egy adott területen egy másodperc alatt. Ez az érték Poyntning-vektorként, S azonosítóval került be a tudományba. A képlet meglehetősen egyszerű: valójában az 1/m0 érték, ami a szabad, üres tér permeabilitásával és az E és B szorzatával egyenlő. Az E x B az elektromos és a mágneses tér szorzata. Az eredményül kapott érték két vektor, ez esetben az erőterek merőleges magnitúdóinak multiplikálására ad lehetőséget, ami alapján meg tudjuk határozni az energiaáramlás irányát. Fordítsuk az ujjainkat az első vektor irányába, ami esetünkben az elektromos tér és hajlítsuk be a másik vektor, a mágneses tér irányába. A hüvelykujjunk mutatja az ere-dő vektor, vagyis az energiaáramlás irányát.

Amit így a fény kapcsán megtudtunk az az, hogy az energia a mágneses térre és az elektromos térre egyaránt merőlegesen áramlik és a haladási iránya a fény útjával egyező. Ez így teljesen rendben van. Ilyen módon a fénysugár hordozza a fényforrásból az energiát is és juttatja el a célállomásra. Mindez azonban nemcsak a fényre igaz: Poynting felfedezése és egyenlete minden olyan esetre érvényes, ahol elektromos és mágneses tér van jelen, illetve találkozik. Valahányszor, amikor egyidejűleg van jelen az elektromos és mágneses erőtér megindul az energiaáramlás, aminek a mértékét és irányát a Poyntning-vektor használatával tudjuk meghatározni.

Ennek illusztrálására építsünk egy elemből és egy izzóból álló egyszerű áramkört. Az elemnek magának is van elektromos mezője, de mivel nem áramlik töltés, nem épült fel mágneses tér, így azután nem is veszít energiát az elem. Mihelyt az áramkörre kapcsoljuk az elemet az elektromos tere fénysebességgel az áram-körre is kiterjed. Ezen az elektromos téren át elektronok áramlanak, amelyek a vezető felületén halmozód-nak fel, negatív töltést adva a vezetőnek. Az elektronok azután a vezető más részén rakódnak le, a korábbi helyük pedig pozitív töltésűre változik. Ezek a különböző töltésű felületek egy kisméretű elektromos erőte-ret hoznak létre a vezetőben. Ez az elektronok áramlását váltja ki, azok egy meghatározott irányba mozdul-nak el. Az elmozdulás sebessége rendkívül lassú, másodpercenként nagyjából egy tized milliméter. Viszont már ez a lassú és kismértékű elmozdulás is elektromos áramot gerjeszt, ami az elektronok áramlásával ellentétes irányban terjed.

A vezetők felületén keletkező töltés a vezetők körüli térben hoz létre egy elektromos erőteret, a vezetőn pedig áram kezd folyni, ami mágneses teret épít fel a vezetőn kívül. Így létrejön a vezető körüli térben az elektromos és a mágneses erőterek kombinációja. A Poynting-elv alapján megtörténik az energiaáramlás és a jobbkézszabály alapján meg is tudjuk határozni az áramlás irányát. Az elem körül például az elektro-mos mező lefele mutat, a mágneses mező pedig erre merőlegesen. Az energiaáramlás jobbra indul meg, valójában sugárirányban mindenfele kifele az elemből, az energia az elem palástjából árad kifele az erőte-rekbe. A vezetőknél ismét a jobbkézszabályt használva állapíthatjuk meg, hogy az áram áramlási iránya jobb fele lesz. Ez a felső és az alsó vezetők körüli mezőkre igaz. Viszont az izzószálnál a Poynting-vektor az izzó belseje fele mutat. Ennek megfelelően az izzó a mezőből kapja az energiát. A számítások elvégzése után viszont látható, hogy az energia minden irányból áramlik az izzó fele. Az energia tehát számos irányból érheti el az elemből az izzót. Viszont mindegyik esetben az elektromos és a mágneses tér továbbítja az energiát.

Az emberek többsége még mindig úgy véli, hogy elektronokat pumpálunk a vezetőbe, vagyis elektronokat veszünk az áramszolgáltatótól, ami persze igencsak messze áll a valóságtól (nevetés). Napjainkban már meglehetősen ellentmondásos, hogy a legtöbb ember még mindig azt hiszi, hogy az energia szabadon áramlik a térben a vezető közeg/a vezeték mentén. Valójában viszont az elektromos és mágneses mezőn halad keresztül az energia meglehetősen nagy sebességgel. Ezzel kapcsolatban viszont még tisztáznunk kell néhány dolgot. Bár az elektronok kétféle úton is haladhatnak az elemtől és vissza az elemhez, a Poyntning-vektor használatával könnyen meghatározhatjuk, hogy valójában csak egyetlen útvonalon áramlik az energia, mégpedig az elemtől az izzó fele. Ez azt is mutatja, hogy a mezők és nem az elek-tronok továbbítják az energiát. Milyen messzire jutnak el tehát az elektronok ebben a kis áramkörben, amiről beszélünk? Alig mozdulnak, még az is meglehet, hogy meg sem moccannak.

De mi történik, ha az egyenáramú elem helyére egy váltóáramú áramforrást helyezünk? Nos, ez esetben az áram folyásiránya ciklusonként kétszer változik. Ezáltal persze az elektromos és a mágneses erőtér irá-nya is ugyanannyiszor változik. Így minden időpillanatban ugyanabba az irányba fog mutatni a Poynting-vektor: az áramforrástól az izzó fele. Ez pontosan ugyanaz a helyzet, mint amit az egyenáramú forrás esetében tapasztaltunk, tehát ugyanazt a számítási képletet használhatjuk itt is. Megvan tehát a magyará-zat arra, hogy hogyan tud az energia áramlani az erőműtől a háztartásainkban használt dugaljhoz.

A vezetékeken belül az elektronok előre-hátra ugrálnak. Az ábrán erősen felnagyítottuk ezt a mozgást. De az elektronok nem hordoznak energiát. A vezetéken kívüli térben rezgő elektromos és mágneses tér mozog el az erőműtől az elektromos dugaljhoz, illetve azon keresztül a fogyasztóhoz. A Poynting-vektort használva világossá válik, hogy az energia csak egy irányba áramlik.

Mondhatják persze, hogy ez most egy tudományos értekezéssé vált annak igazolására, hogy, az energiát a vezetéken folyó áram, vagy a rezgésbe hozott mezők továbbítják-e. De itt korántsem erről van szó, amit egy kemény lecke után tanultunk meg az első tengeralatti távírókábelek lefektetését követően.

Az első Atlanti óceán alatti távközlési kábelt 1858-ban fektették le. A kábel viszont csak mintegy egy hóna-pon át működött és akkor sem igazán megbízhatóan. Elfogadhatatlanul torz jeleket továbbított, emiatt percenként mindössze pár szó továbbítására volt csak alkalmas. Azt tapasztalták, hogy az igen hosszú kábelen a távírójel impulzusok lelassultak és megnyúltak, alig lehetett különbséget tenni a pont és a vessző, vagyis a rövid és a hosszú jelek között. A hiba kiküszöbölésére számtalan javaslat született, ami élénk vitát váltott ki a terület szaktudósai körében. William Thomson, a későbbi Lord Kelvin úgy vélte, hogy a hosszú tenger alatti kábelen továbbított jelek úgy viselkednek, mint a gumitömlőn át vezetett víz. Mások viszont, mint Heaviside és Fitzgerald azzal érveltek, hogy a hibát a kábel körült kialakult és az információt és energiát továbbító erőterek okozzák. Végül ez a meglátás valósult helyesnek. A tenger alatti kábel árnyékolására és védelmére a központi rézvezetőt egy szigetelő köpennyel vették körbe, majd acélköpenybe húzták. Az acélköpeny feladata a kábel sérülések elleni védelme volt, de jó vezetőképessé-gének köszönhetően a kábel körül kialakult elektromágneses térrel is kölcsönhatásba lépett, megnövelte a kábelszerkezet kapacitását. Ez a felismerés vezetett oda, hogy napjainkban a legtöbb nagyfeszültségű elektromos kábelt a talajtól távol, magas oszlopokra függesztve a levegőben vezetik, mivel még a száraz talaj is elektromos vezetőként működik. Éppen ezért szükséges az, hogy az elektromos vezető és a talaj között minél több szabad levegő legyen.

De most térjünk vissza az elején feltett kérdésre adandó válaszhoz!

Miután zárom ezt a kapcsolót az izzó szinte azonnal világítani kezd, nagyjából 1/C másodperc múlva. Vagyis a D válasz volt a helyes.

Úgy gondolom, igen sok ember úgy véli még mindig, hogy az elektromos mezőnek kell elmozdulnia az akkumulátortól az izzóhoz és megtenni a nagyjából egy fénymásodpercig tartó utat a hosszú vezetéken ahhoz, hogy nagyjából egy másodperc múlva világítson a lámpa. De a mit ebből a kis bemutató előadásból megtudtuk, a dolgok nem így történnek: Nem az a fontos, hogy mi történik a vezetékben, hanem hogy milyen folyamatok játszódnak le a vezeték körüli térben. Itt épül fel a mágneses és az elektromos tér, ami szabadon tud áramlani a térben, akár közvetlenül az akkumulátortól a tőle alig egy méterre lévő izzóhoz és ehhez csak pár nanomásodpercre van szüksége. Az egyetlen gátló tényező ez a csekély távolság. Viszont az áramkör, a hosszú kábel és az izzó impedanciája okán nem jut el az akkumulátor teljes feszültsége az izzóhoz. Számos szakemberrel tanácskoztam ez ügyben és sokféle választ kaptam, de összességében mindez nem változtatott a tényálláson.

Amennyiben további információra lenne szüksége ezzel a rendszerrel, vagy kísérlettel kapcsolatban, állunk rendelkezésükre. Amennyiben hívnak, vagy megkeresnek, nem sajnáljuk az erőforrásainkat és megépítjük a kísérleti rendszert a sivatagban. Szerintem meg fognak keresni! (Nevetés) Semmi gond. Tisztában vagyok azzal, hogy ez egy olyan dolog, ami a mindennapjaink része, de keveset gondolunk rá és igen kevesen tudják a korábban feltett kérdésre a helyes választ, hogy a távvezetékek körül felépülő erőterek és elektromágneses hullámok a valódi energiaszállító közegek. Most, hogy már tudja, hogyan terjed az elektromos energia, gondoljon erre, valahányszor átbillent egy villanykapcsolót. 

*Ez a videó a Lutron Caseta támogatásával született.