Megérett az idô arra is, hogy a villamos jelenségek alapjául szolgáló kvantitatív törvényszerûségéket is megtalálják. Valóban, egy idôben több helyen is eljutottak az elektromos vonzás törvényszerûségéhez. A filozófiai háttér mindenki számára ugyanaz volt: Newton nyomán a töltött testek között távolba ható erôk törvényszerûségeit keresték. Ehhez a törvényszerûséghez négyen is eljutottak egymástól függetlenül: Priestley, Cavendish, Robison és végül, akirôl a törvényt elnevezték: Coulomb. Priestley az 1767-ben megjelent könyvében pontosan megfogalmazza a törvényt, sôt, meg is indokolja azt. Ismert volt ugyanis az a kísérleti tény, hogy egyrészt az elektromos töltés a vezetôk felületén helyezkedik el, másrészt, hogy az üreges vezetôk belsejében nem észlelhetô elektromos erôhatás (4.4–6 idézet). A felületen elhelyezkedô töltések azonban csak akkor rontják le egymás hatását egy zárt felület belsejében levô pontban, ha az erôhatás a távolság négyzetével fordítva változik. Teljesen hasonló gondolatmenettel jutott el ezen törvényhez Cavendish, aki ezen túlmenôen, torziós mérleggel külön kísérletekkel is igazolta ezt az összefüggést. Történelmi érdekesség az is, hogy a torziós mérlegnek – mint az igen kis erôk mérésére alkalmas eszköznek – a gondolata egyszerre merült fel, egymástól függetlenül több kutató agyában; Cavendish hivatkozik arra, hogy a torziós mérleg ötletét, sôt a torziós mérleg elsô példányát Michell tiszteletestôl kapta.
Robinson mérései, bár korábbiak voltak (1769), mint Coulomb mérései, még nem vezettek a törvény egyértelmû kijelentéséhez: más értéket kapott a taszítás és más értéket a vonzás esetére. Az egyik esetben a második hatványnál egy kicsit nagyobb, a másik esetben pedig kisebb értéket kapott.
Charles Coulomb mint hadmérnök hosszú ideig az erôdítmények felügyeletével volt megbízva. 1776-tól kezdve minden idejét tudományos kutatásának szentelte. A tudomány igen sok területén ért el eredményeket. A Francia Tudományos Akadémia egy pályadíjat tûzött ki a legjobb iránytû konstrukciójára. Az erre beadott munkájával Coulomb nemcsak a díjat nyerte el, hanem az Akadémiába is beválasztották. E pályamunkájában írja le a torziós mérleget is. Itt állapítja meg azt az összefüggést, hogy egy torziós szál megadott szöggel való elfordításához szükséges nyomaték egyenesen arányos az átmérô negyedik hatványával és fordítva arányos a fonál hosszával. Az arányossági tényezô függ a torziós szál anyagától. Coulomb nevéhez fûzôdik a szilárd testek csúszási súrlódásának kiterjedt vizsgálata is. Ô foglalkozott elôször részletesen azzal a kérdéssel, hogy egy ferde lejtôn vízre bocsátandó hajót mekkora erôvel lehet visszatartani. Coulomb meghatározta a szükséges erô minimumát is. ...
A villamosság történetében sokkal nagyobb helyet érdemelne Cavendish, ha tudományos eredményeit idôben publikálta volna. Mint már említettük, erre csak 100 évvel késôbb, 1879-ben került sor. A közvetlen indítékot a publikálásra az szolgáltatta, hogy Lord Kelvin felfedezte Cavendish kéziratában azt az összefüggést, amely egy gömb töltése és egy vele azonos potenciálra hozott sík körlap töltése között fennáll. Ez Cavendishnél mint mérési eredmény jelentkezett ugyan, de igen fontos késôbbi fogalmak megsejtésérôl vagy kvalitatív szerepérôl tesz tanúbizonyságot. Egy ilyen jellegû probléma elméleti megoldása ma is csak egyetemi szinten lehetséges, és egy mai egyetemi hallgató számára az elméleti elektrodinamika vizsgán az úgynevezett nehéz kérdések közé tartozik. Cavendish természetesen nem beszél potenciálról, hanem "villanyozottság fokról": ha összeköt egy vékony vezetékkel két fém vezetôt, akkor beszél a két fém vezetô egyforma villanyozottsági fokáról. Ma egyszerûen úgy mondjuk, hogy a két vezetôt azonos potenciálra hoztuk. Cavendish felveti a kérdést, hogy hogy aránylik ilyenkor a két vezetô töltése. Amidôn Cavendish ezt a töltésarányt meghatározta, akkor tulajdonképpen a két vezetô kapacitásának arányát határozta meg. A mérés elvégzése is tiszta képet kíván a villamos jelenségekrôl. Cavendish errôl nem beszél részletesen, valószínûleg úgy végezte el, hogy egy kis próbagömböt érintett a feltöltött fém vezetôhöz sokszor egymás után, miután minden alkalommal a földhöz érintve kisütötte azt. Cavendish a dielektrikumok tulajdonságát is vizsgálta. Megállapította, hogy megváltozik a vezetô töltésbefogadó képessége, ha a környezetét különbözô szigetelôanyaggal töltjük ki. Ehhez a felismeréshez közel két emberöltô múlva jut el majd Faraday.
Cavendish összehasonlítja az egyes anyagok vezetôképességét is. Ezzel bevezeti az ellenállás fogalmát, ugyancsak félévszázaddal megelôzve Ohmot. A különös itt az, hogy Cavendish olyan megállapításokat tesz, hogy például a tengervíz és a vas vezetôképessége úgy aránylik egymáshoz, mint 1:4·106. Ez meglepôen jó számérték. Cavendish megjegyzi, hogy ezekhez a számértékekhez igen egyszerû mérési eljárással jutott. Ma az ellenállás méréséhez szintén igen egyszerû eszközökre van szükségünk: egy volt- és egy ampermérôre. Cavendish idejében azonban ezek még a jövô méhében szunnyadtak. Kéziratában az ô egyszerû módszerére is fény derült: azt hasonlította össze, hogy különbözô anyagokon keresztül érintve meg a feltöltött leideni palack két elektródáját, mekkora áramütést kapott. Az áramütés szubjektív érzetébôl következtetett a vezetôképesség számszerû értékére. Az egészben csak az a csodálatos, hogy ilyen módszerrel ilyen jó egyezést kapott.
Abban a pillanatban, amint az elektromosan töltött testek egymásra hatásának matematikai törvényszerûségét megtalálták, semmi akadálya nem volt, hogy a gravitációs jelenségek számára kidolgozott matematikai apparátust a villamos jelenségekre is alkalmazzák. Ezt tette Poisson 1811-ben megjelent cikkében. Ezzel a cikkel lett az elektrosztatika nagykorú és matematikai fejlettségében is egyenrangú társa a mechanikának. A magnetosztatika számára ugyancsak Poisson végezte el a nagykorúsítást 1824-ben.
Poisson már mai szemmel nézve is viszonylag bonyolult elektrosztatikai problémákat oldott meg. Így megoldotta például az egymáshoz közel esô, véges sugarú gömbök felületi töltéseloszlásának problémáját. át.
Az elektrosztatikát végül is Green és Gauss öltöztette mai alakjába. ...
Az elektrosztatikus vizsgálatoknál is nyilvánvaló volt, hogy a feltöltésnél, kisütésnél az elektromos töltések áramlásáról van szó, más szóval elektromos áramról. Ennek törvényszerûségeit azonban, de különösen mágneses hatását csak akkor lehetett vizsgálni, amikor a kísérletezôk számára kellô erôsségben állandó töltésáramlás állt rendelkezésre. A töltésáramlás különbözô hatásait kvalitatíve addig is észlelték. Így a villamos szikrák hô- és fényhatása nyilvánvaló volt, de tudták azt is, hogy az igen erôs kisülések környezetében a vas mágnesessé válhat, vagy a mágnesezett vas polaritása ellenkezôre fordulhat (4.4–5b idézet).
Az áttörést ezen a téren az 1800-as esztendô hozta meg. Ekkor jelentette be Alessandro Volta (1745–1827) egy levélben a Royal Society elnökének találmányát, amelynek segítségével állandó egyenáramot lehetett elôállítani. Volta találmányának elôzményei 1780-ra nyúlnak vissza. Luigi Galvani (1737–1798) a bolognai egyetem anatómiaprofesszora arról értesült munkatársaitól, hogy azok – egy békacomb idegének kipreparálása közben – a békacomb rángatózását figyelték meg, amikor egyikük boncolókésével az ideghez ért, miközben másikuk az akkor minden laboratóriumban megtalálható dörzselektromos gépet mûködtette, és azon éppen egy szikra ugrott át. Galvani részletesen leírja, hogy hogyan figyelt fel erre a jelenségre, és milyen különbözô kísérleteket végzett, amelyekrôl azonban csak 1791-ben számolt be.
Mai szemmel nézve meg kell állapítani, hogy amennyiben a békacomb rángatózása valóban a szikra átugrásával egy idôben történt, akkor ezzel Galvani munkatársai tulajdonképpen a szikrából kiinduló elektromágneses hullámok vételét észlelték. Galvani a késôbbiekben megállapította, hogy a rézhorog segítségével az ablak vasrácsára kiakasztott békacombok akkor is rángatóztak, ha véletlenül a békacomb nekiütôdött a vasrácsnak. Ez a tény Galvanit meggyôzte arról, hogy nem a viharnak és ezen keresztül az atmoszféra-elektromosságnak van köze a dologhoz. Így végül a laboratóriumban kiterjedt vizsgálatokat végzett, és ahhoz a következtetéshez jutott (4.4–7 idézet), hogy az elektromos jelenségek eredete a békacombban van, és ezért ezt a jelenséget állati elektromos jelenségnek nevezte.
Volta ugyanebben az idôben a rivális paviai egyetem fizika
professzora volt. Nevét, mint fizikusét, már ismerték.
Ô egy, az eddigieknél hatásosabb elektrosztatikus gépet
szerkesztett – az influencián alapuló elektrosztatikus gépek
ôsét –, és ami még fontosabb, egy igen érzékeny
elektroszkópot.
 |
| Volta elektroszkópja |
Volta elôször megismételte Galvani kísérletét, és elfogadta Galvani következtetését is, vagyis azt, hogy a villamos jelenségeket a békacomb szolgáltatja. A következô évben, 1793-ban azonban Volta elvégzi ugyanazokat a kísérleteket, de pontosabban, amelyekre egy svájci kutató, Sulzer 1754-ben utal: ha két különbözô fémet egyik végén összekötünk, majd egyiket nyelvünkhöz érintjük, akkor a fémek minôségétôl függôen savanykás vagy lúgos ízt érzünk, pontosan úgy, mint amikor a nyelvünket egy elektromos gép pozitív vagy negatív sarkához érintjük. Volta ebbôl rögtön arra következtetett, hogy a békacombnak Galvani kísérleteiben semmi más szerepe nem volt, mint hogy jelezze az elektromos hatás jelenlétét, és a lényeg a két különbözô fém érintkezésében van. Ki is mutatta, hogy amennyiben Galvani kísérleteinél vigyázunk arra, hogy csak egyfajta fém szerepeljen, nem is kapunk rángatózást. Közvetlenül elektroszkópja segítségével is sikerült kimutatni, hogy ha két különbözô fémet összeérint, akkor azok szétválasztva feltöltôdést mutatnak. Volta lényeges felfedezése abból állt, hogy rájött arra, hogy ez a hatás erôsíthetô, ha több cinklemezt és rézlemezt rakunk egymás fölé, és ezek közé egy általa másodrendû vezetônek nevezett anyagot, például vizes kartont teszünk.
A galvánelem mûködésérôl Voltának sem volt helyes elképzelése. Azt helyesen látta meg, hogy az így nyert elektromosság és a dörzselektromos géppel keltett elektromosság tökéletesen azonos tulajdonságú. Úgy tekintette a dolgot, hogy a két fémnek teljesen passzív a szerepe; és így a kör zárásakor meginduló áram akármeddig keringhet anélkül, hogy bármilyen változás is létrejönne. Volta idejében a közönséges mechanikai rendszereknél az örökmozgó lehetetlensége már közhely volt a tudományos világban. De az ismeretlen és súlytalan elektromos fluidumokkal kapcsolatban még minden elképzelhetônek látszott.
Angliában még a találmány bejelentésének évében, 1800-ban intenzív kutatás indult meg a galvánelemekkel kapcsolatban. A vezetô szerepet Humphry Davy (1778-1829) vitte. Megállapította, hogy a galvánelemekben lejátszódó kémiai jelenségeknek lényeges szerepe van a villamos hatások létrejöttében. Az ô tevékenységét tekinthetjük az elektrokémia kiindulópontjának, sôt általánosabban mindazon elméleteknek, amelyek a kémiai jelenségek elektromos természetét hirdetik. ...
Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 3., átdolgozott kiadás, Gondolat Kiadó, Budapest, 1986, 17. és 306–316. o.