Hermann von Helmholtz
(18211894)

Faraday elektromosság-fogalmának fejlôdése napjainkban

Részletek

Faraday-elôadás Londonban, 1881. április 5-én

in: Mary Jo Nye: The Question of the Atom (Los Angeles: Tomash, 1984)



HERMANN VON HELMHOLTZ
pályáját katonaorvosként kezdte. Elsô
tudományos vizsgálatai a fiziológia 
területére esnek: 1850-ben megállapítja 
az ideginger haladási sebességét.
1871-tôl a berlini egyetem professzora. 
Munkássága a fizika csaknem minden 
területére kiterjedt. 1847-ben az energia-
megmaradás tételét ô fogalmazza meg
a mai fizikai felfogásunkhoz legközelebb 
álló formában. 1859-ben a hidrodina-
mikában a róla elnevezett örvényel-
méletet alkotja meg. Bár az atomelmé-
letnek nem volt híve, 1881-ben ô hang-
súlyozta azt a tényt, hogy az anyag 
atomos szerkezetébôl az elektromosság
atomos szerkezete is következik.
Helmholtz kimagasló szerepet játszott 
a XIX. század második felében a német
fetsôoktatás és tudományos élet szerve-
zésében. A XX. század elejének német
tudósgenerációja közül sokan ôt 
tekintették szellemi atyjuknak.
(Simonyi: A fizika kultúrtörténete)

Miután abban a megtiszteltetésben van részem, hogy arról a nagyszerû emberrôl beszélhetek Önök elôtt, aki ugyanezen a helyen oly sokszor tárta fel ámuló hallgatóságának a természet legváratlanabb titkait, remélem, egyetértenek azzal, ha tevékenységének csak arra az oldalára korlátozom elôadásomat, amelyet saját vizsgálataimból a legjobban ismerek, nevezetesen az elektromosság elméletére. Faraday kutatásainak jelentôs része is közvetlenül vagy közvetve az elektromosság mibenlétének kérdéseihez kapcsolódott, s legfontosabb és leghíresebb felfedezései ezen a területen születtek. Eredményei általánosan ismertek. Ma minden fizikus tudja, hogyan fordul el a fény polarizációs síkja a mágnesség hatására, tudja, mi a dielektromos feszültség és a diamágnesség, hogyan mérhetô a galvános áram intenzitása voltaméterrel; ma már indukált áram hat a telefonban, indukált árammal kezelik a bénult izmokat és táplálják az izzólámpákat.

Azok az alapelvek azonban, amelyek Faraday-t ezekhez a csodálatos felfedezésekhez vezették, nem kaptak ekkora figyelmet. Igencsak eltértek a tudományos elmélet kitaposott útjától és a kortársak számára túlságosan ijesztônek tûntek. Faraday az új elméletekben csak tényeket akart kifejezésre juttatni, a lehetô legkevésbé akarta bevonni a hipotetikus szubsztanciákat és erôket. Az általános tudományos módszerben ez igazi elôrelépést jelentett, és az volt a célja, hogy a tudományt megtisztítsa a metafizika utolsó maradványaitól. Nem Faraday volt az elsô és egyetlen, aki ezen munkálkodott, de talán senki más nem ragaszkodott ennyire ehhez az elvhez. Az alapvetô és uralkodó elvek minden megújítása azonban új elvont fogalmakhoz vezet, amelyek értelmét az olvasó nem fogja fel az elsô pillanatban.

Ilyen körülmények között az eredeti gondolkodású embernek gyakran könnyebb új igazságokat felfedeznie, mint azt feltárnia, hogy a többiek miért nem értik meg és miért nem követik ôt. Ez a nehézség még tetemesebb lehetett Faraday esetében, mert Faraday kimaradt abból a szokásos tudományos képzésbôl, amelyben olvasóinak többsége részesült. Most, hogy Clerk Maxwell megadta az elektromos és mágneses erôkre vonatkozó Faraday-féle elvek matematikai interpretációját, látjuk, milyen nagyfokú pontosság, egzaktság rejlett azok mögött a szavak mögött, amelyek Faraday kortársai számára homályosnak vagy zavarosnak tûntek; s egészen elképesztô, hogy intuícióval, ösztönös biztonsággal, egyetlen matematikai összefüggés alkalmazása nélkül hány olyan általános tételt talált Faraday, amelynek módszeres levezetése magas szintû matematikai analízist igényel. Egyáltalán nem hibáztatom a kortársait, mert be kell vallanom, hogy sokszor magam is reménytelenül meredtem néhány bekezdésre, amelyben Faraday például az erôvonalakat vagy a galvános áramot mint az erôvonalak tengelyét írja le.

Elôfordulhat természetesen, hogy egy figyelemre méltó felfedezés a szerencsés véletlennek és nem a felfedezô tehetségének köszönhetô. De az már ellentmond a valószínûség minden szabályának, hogy egy gondolatfolyam, mely olyan meglepô és váratlan felfedezések sorához vezet, mint amilyenek Faraday felfedezései, nékülözze az igazság szilárd bár talán rejtett alapjait. Ebben az esetben azt is tudomásul kell vennünk, hogy az emberiség legnagyobb jótevôi életük során nem nyerik el méltó jutalmukat, és minél lassabban fogadja el a világ az új gondolatokat, annál eredetibbek és annál nagyobb erôvel befolyásolhatják az emberi tudás széles ösvényét.

Faraday elektromos vizsgálatai noha számos látszólag apró és különálló, de azonos figyelemmel és lelkiismeretességgel kezelt kérdést ölelnek fel valójában mindig a természetfilozófia két alapvetô problémájára irányulnak: az egyik a fizikainak nevezett vagy távolba ható erôk természete, a másik a kémiai vagy molekulák között ható erôké, illetve a kétféle erô kapcsolata.

Most csak röviden vázolom fel, hol tart ma a tudomány az elsô problémakör vizsgálatában. A kérdés ma is tudományos vita tárgya, bár megítélésem szerint a vita a végéhez közeledik. Számos geometriai és mechanikai nehézség vetôdött azonban fel, de ezek megoldását, az érveket és ellenérveket nem fejthetem ki egy rövid elôadás során az Önök meggyôzésének reményében. Ezért csak rövidem érintem a kérdést és saját véleményemet mondom el, de meg kell jegyeznem, sok igen kiváló tudós különösen honfitársaim közül nem ért még egyet velem.

Az az alapvetô probléma, amelyet Faraday újra felvetett, a közvetítô közeg nélkül, közvetlenül távolba ható erôk kérdése volt. A múlt században és a jelen század elején szinte minden fizikai elmélet a Nap, a bolygók és holdjaik között ható gravitációs erô mintájára született. Ismeretes, hogy Sir Isaac Newton milyen óvatosan, sôt vonakodva vezette elô nagy hipotézisét, amely a tudományos módszer erejének elsô lenyûgözô példája lett. Nem szabad csodálkoznunk azon, hogy Newton követôi a természetfilozófia minden ágában ugyanilyen sikert akartak eleinte elérni a hasonló feltevések bevezetésével. Az elektromos és mágneses jelenségek különösen rokon vonásokat mutattak a gravitációval, hiszen Coulomb mérései szerint az elektromos és mágneses taszítás és vonzás hasonló arányban csökken a távolság növekedésével, mint a gravitáció.

Ekkor azonban Oersted felfedezte, hogyan mozognak a mágnesek az elektromos áram hatása alatt. Ezekben a jelenségekben az erô új és igen különös módon nyilvánult meg. Úgy tûnt, mintha ez az erô egy áramvezetô huzal körül vég nélkül mozgatna körbe-körbe egy magányos mágneses pólust. És bár a mágnes pólusai nem választhatók el egymástól, Ampère-nek sikerült ilyen folytonos körmozgást elôállítania úgy, hogy az áram egy része maga is elmozdult a mágnes hatására.

Ez volt Faraday elektromos vizsgálatainak kiindulópontja. Faraday látta, hogy az ilyen típusú mozgást semmilyen pontról pontra ható vonzás vagy taszítás nem hozhatja létre. Elsô vezérlô elve valószínûleg az energiamegmaradás törvényének megsejtése lehetett. (A természet sok figyelmes megfigyelôje is felismerte a törvényszerûséget, mielôtt Joule megfogalmazta volna a pontos tudományos definíciót.) Ha az áram képes a mágnes sebességének növelésére, a mágnesnek is hatnia kell az áramra. Faraday elvégezte a kísérletet és felfedezte az indukált áramot, s minden olyan esetben nyomon követte, amelyben fel kellett lépnie. Azt találta, hogy bármikor és bárhol keletkezzen vagy szûnjön is meg mágneses erô, olyan elektromotoros erô lép fel, amely indukált áramot igyekszik kelteni. Faraday arra a következtetésre jutott, hogy abban a térrészben, amelyet mágneses erô szel át, különleges feszültségi állapotnak kell lennie, és a feszültség minden változása elektromotoros erôt hoz létre.

Ezt az ismeretlen, hipotetikus állapotot elektrotonikus állapotnak nevezte átmenetileg, és hosszú éveken át dolgozott azon, hogy kiderítse, mi is ez az elektrotonikus állapot. Elôször 1838-ban felfedezte az elektromos erôk hatása alatt álló elektromos szigetelôk dielektromos polarizációját. Az elektromos erôk hatására ezek a testek tökéletesen analóg jelenségeket mutatnak azokkal, amelyek a lágyvasban tapasztalhatók a mágneses erôk hatására. Tizenegy évvel késôbb, 1849-ben tudta kimutatni, hogy minden ponderábilis [súlyos] anyag mágnesezhetô kellô intenzitású mágneses erô hatására, és ugyanekkor felfedezte a diamágnesség jelenségét is, amely arra utalt, hogy az összes ponderábilis anyagtól megfosztott tér is mágnesezhetô. Ezeknek a jelenségeknek valóban az a legegyszerûbb magyarázata, hogy a diamágneses testek kevésbé mágnesezhetôk, mint a légüres tér vagy a teret kitöltô, fényterjesztô éter. Ezzel sikerült bemutatni a hipotetikus elektrotonikus állapotnak megfelelô valódi változásokat.

És ekkor csodálatos éleslátással és intellektuális pontossággal Faraday egyetlen matematikai képlet nélkül fejben elvégezte egy nagy matematikus munkáját. Lelki szemeivel látta, hogy a mágnesezett és dielektromos testeknek hajlamosaknak kell lenniük az összehúzódásra az erôvonalak irányában és a tágulásra minden olyan irányban, amely ezekre merôleges; s az elektromossá tett testeket, a mágneseket vagy az áramot vezetô huzalokat körülvevô térben a feszültségeknek és nyomásoknak ezekkel a rendszereivel az elektrosztatikus, a mágneses és az elektromágneses vonzás, taszítás és indukció minden jelensége megmagyarázható anélkül, hogy a távolba ható erôkhöz vissza kellene térni. Ez Faraday útjának olyan szakasza volt, ahová csak néhányan tudták követni. Talán Clerk Maxwellre, egy hasonló intellektusú független gondolkodóra volt szükség ahhoz, hogy a tudomány szokásos módszereivel sikerüljön rekonstruálni azt a nagyszerû épületet, amelynek a tervei Faraday agyában születtek meg és amelyet ô próbált meg láttatni kortársaival.

Senki sem tagadhatja, hogy az elektromosság és mágnesség új elmélete, amelyet Faraday fedezett fel és Maxwell fejlesztett tovább, önmagában konzisztens; tökéletes és pontos összhangban van az összes ismert tapasztalati ténnyel; és nem mond ellent egynek sem a dinamika általános axiómái közül, amelyeket eddig minden természettudomány alapvetô igazságainak tekintettek, mert kivétel nélkül érvényesnek bizonyultak a természet minden ismert folyamatában. Óriási jelentôségûek azok az elmélet alátámasztó körülmények, amelyekre Clerk Maxwell mutatott rá: azok a tulajdonságok, amelyeket a teret kitöltô imponderábilis [súlytalan] közeghez kell rendelnie az elméletnek, mágneses és elektromos rezgések keltésére és fenntartására képesek, s ezek a rezgések pontosan a fény sebességével terjednek hullámszerûen tova. A fényelmélet több része is könnyebben levezethetô ebbôl az elméletbôl, mint Huygens jól ismert hullámelméletébôl, amely a fényterjesztô étert merev, elasztikus test tulajdonságaival ruházza fel.

A távolba hatás hívei azonban nem adták fel az elektromágneses probléma megoldásainak keresését. A galvános áramot vezetô két huzal egymásra ható mozgatóerejét Ampère már régen felbontotta zseniálisan az áramok lineáris elemeihez tartozó vonzó és taszító erôkre. Ezeknek az erôknek a nagysága nemcsak a vezetôdarabok távolságától függ, hanem igen bonyolult módon azoktól a szögektôl is, amelyet a két áram iránya egymással és a vezetôdarabokat összekötô egyenessel zár be. Ampère nem tudott az indukált áramokról, de az indukciós jelenségeket le lehet vezetni az Ampère-törvénybôl, ha hozzáfûzzük azt az általános törvényt, amelyet Faraday állapított meg kísérletei nyomán: a mágnes vagy egy másik áram mozgása révén indukált áram mindig ellenáll ennek a mozgásnak.

Ezt a törvényt a königsbergi Neumann professzor öntötte matematikai formába. Az általános matematikai kifejezés nem az erôk, hanem a mechanikai munka nagyságát adja meg, közvetlenül azt az értéket, amelyet a matematikusok elektrodinamikai potenciálnak neveznek. Az összefüggés az elektromágneses jelenségeket nem pontok, hanem lineáris áramelemek között ható erôkre vezette vissza. A galvános áramot vezetô lineáris huzaldarabok természetesen jóval bonyolultabb szerkezetek, mint az atomok. Magam is számos matematikai cikket írtam annak bizonyítására, hogy Neumann professzor képlete összhangban van a zárt galvános áramkörök összes ismert jelenségével, és az elektromos mozgás egyetlen esetében sem kerül ellentmondásba a mechanika általános axiómáival. Sikerült kísérleti módszert találnom az elektromágneses indukció elektrosztatikus hatásainak vizsgálatára abban az esetben, ha nem lehet zárt áramkört létrehozni. A kísérlet nem támasztotta alá azt a feltevést, hogy a Neumann-elmélet teljes, amennyiben csak a fémes vagy folyékony vezetôben zajló elektromos mozgásokat tekinti aktív áramoknak, de egybecsengett Faraday és Maxwell elméletével, akik feltették, hogy a vezetô testek határaitól, ahol az elektromos töltés felgyülemlik, az elektromos mozgás folytatódik a vezetôket elválasztó szigetelô közegben.

Más kiváló tudósok az elektromágneses jelenséget olyan erôkre próbálták visszavezetni, amelyek közvetlenül a hipotetikus elektromos fluidumok távoli mennyiségei között hatnak, és nagyságuk nemcsak az elektromos mennyiségek távolságától, hanem sebességétôl és gyorsulásától is függ. Ilyen elméletet dolgozott ki a göttengeni Weber professzor, Riemann, a fiatalon elhunyt matematikus és a bonni Clausius professzor. Elméleteik igen jól magyarázzák a zárt galvános áramkörök jelenségeit, de más elektromos mozgásokra alkalmazva ellentmondásba kerülnek a dinamika általános axiómáival.

Weber professzor hipotézise értelmében az elektromosság egyensúlya bármely szokásos méretû vezetôben instabil, és megengedi, hogy véges méretû testektôl végtelen mennyiségû munka származzék. Nem hinném, hogy azok az ellenvetések, amelyeket elôször Sir W. Thomson és Tait professzor tettek természetfilozófiai értekezésükben (Treatise on Natural Philosophy), majd magam is tárgyaltam és közelebbrôl megvizsgáltam, érvényüket vesztették volna a kérdésrôl folyó vitában. Riemann hipotézise ellen, amelyet ô maga nem publikált élete során, ugyanez az ellenvetés hozható fel, de emellett ellentmondásban van Newton második tételével is, amely az összes természetes erôre megállapította az akció és reakció egyenlôségét.

Clausius professzor hipotézise az elsô csapdát elkerüli ugyan, de a másodikat nem, és maga a szerzô is arra a következtetésre jutott, hogy az ellentmondás csak úgy szûnne meg, ha az összes teret betöltené egy közeg, s az erôk a közeg, valamint az elektromos fluidum között hatnának.

A tudomány jelenlegi állása, azt hiszem, reményt ad arra, hogy Faraday elméletét már a közeljövôben általánosan elfogadják. Ez az egyetlen elmélet, amely tökéletes összhangban van az ismert tényekkel, a tényeken túl pedig nem vezet semmilyen ellentmondásra a dinamika általános axiómáival.

Maga Clerk Maxwell is csak zárt áramkörökre dolgozta ki elméletét. Az utóbbi néhány évben azoknak a vezetôknek az esetére is megvizsgáltam az elméletbôl adódó eredményeket, amelyek nem képeznek zárt áramkört. Ma már kijelenthetem, hogy az elmélet összhangban van azokkal a jelenségekkel, amelyeket nyílt áramkörökben figyeltünk meg, vagyis (1) a kondenzátorok huzaltekercsen zajló oszcillációs kisüléseivel, (2) azokkal a kísérleteimmel, amelyeket forgó kondenzátor elektromágneses úton indukált töltéseivel végeztem és (3) Rowland úr vizsgálataival, amelyek során egyféle elektromossággal töltött forgó korong elektromágneses viselkedesét követte nyomon.

Az elméleti nehézségeket Faraday döntô feltevése szünteti meg: eszerint a vezetô testben minden elektromos mozgás, amely elektromos töltést visz a felületre, a környezô szigetelô közegben az áram erôsségével azonos nagyságú dielektromos polarizáció kezdetével vagy megszûnésével folytatódik. Ebbôl a feltevésbôl az is következik, hogy távolba ható erôk nem léteznek vagy legalábbis jelentéktelenek a dielektrikumban fellépô feszültségekhez és nyomásokhoz képest.

Egyáltalán nem szükséges semmilyen határozott állásfoglalásra jutni annak a hatásnak a leglényegibb tulajdonságát illetôen, amelyet elektromosságnak nevezünk. Amennyire csak lehetett, Faraday maga sem akart határozott kijelentést tenni ebben a kérdésben, bár nem rejtette véka alá, hogy idegenkedik a két ellentétes elektromos fluidum feltevésétôl. Azoknak az elektrokémiai jelenségeknek a tárgyalásához, amelyekre most rátérünk, engedélyt kérek a régi dualisztikus elmélet terminusainak használatára amely a pozitív és negatív elektromosságot két imponderábilis szubsztanciának tekinti , mert elsôsorban a mennyiségek kapcsolatáról kell majd beszélnünk.

Faraday-t kíséreljük meg követni amennyire csak lehet azzal, hogy a jelenségek körében igyekszünk maradni, és így nem kell törôdnünk annak a valódi természetével, amit pozitív vagy negatív elektromos mennyiségnek nevezünk. Amikor ellentétes elôjelû szubsztanciákról beszélünk, mindössze arra a tényre szorítkozunk, hogy pozitív mennyiség soha nem jelenik meg vagy tûnik el, ha közvetlen közelében nem jelenik meg vagy tûnik el vele egyenlô negatív mennyiség. Ebben a vonatkozásban valóban úgy viselkednek, mintha két szubsztanciáról lenne szó, amelyek nem keletkezhetnek és pusztulhatnak el, de semlegesítôdhetnek és egyesülésükkor észlelhetetlenné válnak.

Tisztában vagyok azzal, hogy a két ellenkezô minôségû, imponderábilis fluidum feltevése igen bonyolult és mesterséges; Clerk Maxwell matematikai terminológiája a jelenségek törvényszerûségeit nagyon egyszerûen és nagyon igaz módon fejezi ki, miközben sokkal kevesebb feltevéssel él. De bevallom, hogy a matematikai formulák nélkül aligha tudnám megmagyarázni, mit tekint Maxwell elektromos mennyiségnek, és ez a mennyiség miért állandó, mint a szubsztancia mennyisége. A szubsztancia eredeti, régi fogalma egyáltalán nem azonos az anyagéval. A szubsztancia valójában arra utal, ami a változó jelenségek mögött változatlan, ami nem állítható elô és nem pusztítható el. A szó legrégebbi értelmében a kétféle elektromosságot valóban nevezhetjük szubsztanciának.

Azért maradok a dualisztikus elmélet mellett, mert világosan megmutatja az elektromos jelenségek pozitív és negatív oldala közötti tökéletes szimmetriát, és egyetértek azzal a jól ismert feltevéssel, hogy ugyanannyi negatív töltés lép be, mint amennyi pozitív eltávozik, mert egyetlen olyan jelenséget sem ismerünk, amelyet bármely test teljes elektromosságának növekedésével vagy csökkenésével magyarázhatnánk meg. Az unitárius elmélet, amely csak egyetlen imponderábilis elektromos szubsztanciát tételez fel, és az ellenkezô típusú hatásokat magának a ponderábilis anyagnak tulajdonítja, sokkal alkalmatlanabb alapot kínál az elektrokémiai elmélet számára.


Következô rész
Vissza a kémiatörténeti rész tartalomjegyzékéhez
http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/