Az elektromos áramnak gáznemű testeken való áthaladása
A 19. század második felében már a gyakorlatban alkalmazták az elektromos áramot, a villamos motort, a dinamót. Robbanásszerűen megváltoztatta a technikai fejlődést az izzólámpa, a távíró és a telefon megjelenése is. Mindezek mellett még nem tisztázódott az elektromos áram fogalma, nem ismerték az elektront, ezért egyre több fizikust is foglalkoztatott az elektromos áramnak gáznemű testeken való áthaladásával járó különleges fényjelenségek vizsgálata.
A gázok viselkedését elektromos kisülések esetén légszivattyúhoz csatlakoztatott, gázkisülési csövekkel tanulmányozták. Az elektromos kisülés megindítására Rühmkorff-féle szikrainduktort használtak.
A 19. században számos elektrotechnikai kísérlet egyik fontos eszköze volt a szikrainduktor, mellyel a galvánelemek néhány voltos feszültségét több százezer voltra tudták növelni.
A nyomás csökkenésével sajátos különbségek léptek fel a levegőt tartalmazó cső pozitív elektródja (anód) és negatív elektródja (katód) között. A ködszerű fényjelenségekkel járó kísérletek eredményeivel jutottak el a katódsugárzás felismeréséhez, majd az első elemi részecske az elektron felfedezéséig, a 20. század atomfizikájának kezdetéig.
Johann Heinrich WilhelmGeissler 1854-ben készítette el az első ritkított gáztöltésű üvegcsöveket elektromos kisülések vizsgálatára, amelyeket azóta is Geissler-csöveknek neveznek.
A gázkisülési csőben ritkított levegő és valamilyen nemesgáz töltet van. A cső két végén található elektródákra feszültséget kapcsolva, a gázban ion- és elektronáramlás indul meg. A mozgó töltések miatt a gáz gerjesztett állapotba kerül és fényt sugároz, melynek színe a benne lévő nemesgáztól függ. A Geissler-féle csövek képezik a gázkisülési csövek – fénycsövek, glimmlámpák, gázkisülési diódák – alapjait.
A katódsugarakat Julius Plücker német matematikus és fizikus figyelte meg 1859-ben. Sikeres kísérleteket végzett Johann Wilhelm Hittorf is 1869-ben, aki igazolta, hogy a sugarak mágneses mezőben eltérülnek, a sugárzás a katódból indul ki, és egyenes vonalban terjed. Csaknem fél évszázadon át kutatták a fizikusok a katódsugárzás jelenségeit, s a tudományos magyarázatot illetően megoszlott a véleményük.
Sokan elektromágneses sugárzásra gondoltak. A hullámelképzelés legjelentősebb alakja Heinrich Rudolf Hertz volt, azonban kutatásai nem jártak sikerrel. A későbbi eredmények William Crookesnak adtak igazat, miszerint a katódsugár a katód felületéről kilépő, negatív töltésű anyagi, vagyis tehetetlen tömeggel rendelkező részecskékből áll.
A katódsugarak tanulmányozására használt kisülési cső. A katódból az anód felé haladó sugarak továbbrepülnek és becsapódnak a cső szemközti falába, ahol az útjukba állított máltai kereszt árnyékát rajzolják ki. Ezzel bizonyítható, hogy a sugarak a katódból érkeznek és egyenes vonalban terjednek.
A tojás alakú Crookes-csőben foszforeszkáló festékanyaggal bekent ásványdarabok vannak. Az ezekbe becsapódó elektronok gerjesztik az ásványokra kent festékanyag részecskéit, amelyek aztán energiájuktól megszabadulva foszforeszkáló hatást fejtenek ki.
Joseph John Thomson 1895-ben elektromos mezőben is eltérítette a sugarakat, s sikerült megmérnie a részecske sebességét, a töltését és tömegét, ezért őt tekintjük az elektron felfedezőjének. Maga az elektron elnevezése George Johnstone Stoney fizikustól származik.
A katódsugarakat Lénárd Fülöp 1893-ban „hozta ki” a gáztöltésű csőből, ezzel megnyitva az utat az atomfizikai kutatások felé. Elvégzett kísérletei bizonyították, hogy az addig oszthatatlannak hitt atom pozitív és negatív részecskékből áll.
Wilhelm Conrad Röntgen a katódsugár kísérletei során fedezte fel az új sugarakat, az X-sugarakat, melyet általánosságban Röntgen-sugárzásnak nevezünk.
Azt, hogy a katódsugárzás negatív töltésű részecskék áramlása Jean Baptiste Perrin igazolta egyértelműen 1895-ben. Elsőként mérte meg a katódsugárzás áramerősségét is.
Néhány évvel később Karl Ferdinand Braun gyakorlati alkalmazásként 1897-ben a katódsugárcsövet ernyővel látta el. Az ernyőbe csapódó elektronok fényfoltot hoznak létre, amelynek a helyzete az eltérítő lemezekre kapcsolt feszültségek változtatásával szabályozható. Az LCD-s képernyők megjelenése előtt a katódsugárcső szinte minden lakásban jelen volt televízió képcső formájában.
Tudósok, feltalálók, mérnökök
Julius Plücker
(1801-1868) német fizikus és matematikus
Iskoláit Heidelbergben Berlinben és Párizsban végezte. Először főként matematikával kezdett el foglalkozni. Érdeklődése később a fizika felé fordult, kezdetben az elektromosság és mágnesesség témakörére.
1854-ben felfedezte, hogy ha erősen ritkított gázt tartalmazó üvegcső két elektródjára, egy Rühmkorff-féle szikrainduktor segítségével nagyfeszültséget kapcsolnak, akkor a csőben világító gázoszlop figyelhető meg. 1859-ben tapasztalta, hogy nagy ritkítás esetén a csőben a kisülési jelenség megszűnte után a katóddal szemközti falon a zöldesen világító foltok megmaradnak és e foltok helyzete megváltoztatható mágnes mezővel. Így fedezte fel a láthatatlan katódsugárzást.
Johann Wilhelm Hittorf
(1824-1914) német vegyész és fizikus
Az ionvándorlás sebességét vizsgálta elektrolitokban, kidolgozta az ionvándorlás mechanizmusát. 1860 és 1889 között a katódsugárzás természetét vizsgálta. Felfedezte, hogy ha a katódsugárzás útjába egy drótot helyeznek a katód és az anód közé, akkor annak éles árnyéka megjelenik a katóddal szemközti falon. Ezzel igazolta, hogy a sugárzás a katódból indul ki, és egyenes vonalban terjed, becsapódásakor pedig több anyagon fluoreszcenciát okoz. Kimutatta, hogy a katódsugárzás mágneses mezőben eltéríthető.
Johann Heinrich Wilhelm Geissler
(1814 – 1879) német mechanikus, üvegfúvó mester
1854-ben Bonnban hozta létre műhelyét kémiai és fizikai műszerek készítésére. Nevéhez kötődik a róla elnevezett cső, amelyben ritkított levegő és általában valamilyen nemesgáz töltet van. Másik kifejlesztett eszköze a higanyos vákuumszivattyú, mellyel szinte sorozatban gyártotta a kísérletekhez használt csöveket.
Karl Ferdinand Braun
(1850 – 1918) német fizikus
Legismertebb felfedezése a róla elnevezett Braun-féle elektrométer. 1897-ben feltalálta a Braun-csőnek is nevezett katódoszcillográfot, aminél az ernyővel ellátott csőben láthatóvá válik a katódsugár becsapódási helye. Később ebből fejlesztették ki az oszcillográfokat és a televízió képcsöveket is. 1898-tól a drót nélküli távíróval kezdett foglalkozni. 1909-ben rádiótechnikai munkásságáért (Marconival együtt) fizikai Nobel-díjat kapott.
Sir William Crookes
(1832 – 1919) brit vegyész és fizikus
A katódsugárzás terén végzett kutatásai alapvető fontosságúak voltak az atomfizika későbbi fejlődésében. A ritkított gázban végbemenő elektromos kisülések vizsgálata során elsőként figyelte meg a katód körüli sötét térrészt, amelyet ma Crookes-féle sötét térnek neveznek. Bebizonyította, hogy a katódsugarak egyenes vonalban terjednek, s ha bizonyos anyagokba csapódnak, azt fénykibocsátás és hőtermelés kíséri. A katódsugarak tanulmányozására számos berendezést fejlesztett ki, a sugárzásra, mint az anyag negyedik halmazállapotára vonatkozó elmélete azonban sok tekintetben hibásnak bizonyult.
Lénárd Fülöp
(1862 – 1947) fizikus
Pozsonyban, az akkori Magyarországon született. Olyan kiemelkedő fizikusokkal dolgozott együtt, mint Eötvös Loránd, vagy Heinrich Hertz. 1910-től az egyetem fizika tanszékét vezette Heidelbergben.
Kutatásokat végzett a Crookes-féle csövekkel a katódsugarak vizsgálatára. 1893-ban feltalálta a Lénárd-ablakot, amelyen keresztül a sugarak kihozhatók a levegőbe. 1902-ben kimutatta, hogy a fotoelektromos jelenségeknél a kilépő elektronok száma a beeső fény erősségétől, sebességük pedig a frekvenciától függ. Ez szolgált kiindulásul Albert Einstein fotoelektromos törvényéhez. 1903-ban megfogalmazott gondolata – miszerint az atomok pozitív és negatív részecskékből állnak és ezek a térnek csak kis részét töltik ki – alapozta meg Ernest Rutherford atommodelljét.
1905-ben fizikai Nobel-díjat kapott katódsugarakkal kapcsolatos munkásságáért.
Jean Baptiste Perrin
(1870-1942) francia fizikus
Mint asszisztens kezdte kutatásait a katódsugarak és a röntgensugarak vizsgálata terén. 1910-től 1940-ig a párizsi Sorbonne Egyetem professzorává választották. Tagja volt többek között a Royal Societynek, valamint a Francia Tudományos Akadémiának. Megalapítója a Francia Országos Tudományos Központnak.
1895-ben kimutatta, hogy a katódsugarak negatív elektromos töltésű részecskékből állnak. Elsőként mérte meg a katódsugárzás áramerősségét. Miután Albert Einstein 1905-ben megjelentette a Brown-mozgás atomos magyarázatára vonatkozó elméletét, Perrin kísérletekkel támasztotta alá Einstein feltevéseit, az anyag atomos természetére vonatkozó elképzeléseket.
1926-ban tüntették ki Nobel-díjjal az „anyag nem folytonos szerkezetén végzett munkájáért, különösen a szedimentációs egyensúly felfedezéséért”.
Wilhelm Conrad Röntgen
(1845 – 1923) német fizikus
1868-ban szerzett gépészmérnöki diplomát. Több német egyetemen működött. 1899-1920 között, a müncheni egyetem fizika tanára volt.
Részt vett az ozmózis jelenségének kutatásában, megmérte a levegő fajhőjét állandó nyomás és állandó térfogat mellett. Ez utóbbiról írta első tudományos értekezését is. Röntgen vizsgálatokat végzett a folyadékokban, az elektromos tér hatását vizsgálta a polarizált fényre. Elektrooptikai kísérleteket folytatott, 1885-ben bebizonyította a dielektronos polarizáció elektromágneses hatását, 1888-ban pedig kimutatta, hogy a saját töltéssel nem rendelkező dielektrikum állandó elektromos mezőben elektromos áramot gerjeszt.
Amikor Lénárd Fülöpnek a katódsugarakra vonatkozó kísérleteit ismételte, 1895-ben felfedezte a róla elnevezett sugarakat, amiért 1901-ben megkapta az első Nobel-díjat.
Felfedezése rendkívüli jelentőségű az orvostudományban, a műszaki tudományokban és a kísérleti fizikában.
George Johnstone Stoney
(1826 – 1911) ír fizikus és csillagász
1852-ben professzor lett a Queen’s Collegban (ma National University of Ireland, Galway). Tagja volt a Londoni és a Dublini Királyi Akadémiának.
1874-ben Michael Faraday elektrolízis törvényei alapján arra a felismerésre jutott, hogy az elektromosság egyes elemi részecskék tulajdonsága, vagyis az elektromos töltés diszkrét mennyiségekből áll. Javaslatára, ezeket a töltést hordozó részecskéket elektronoknak nevezik.
Foglalkozott még a gázok kinetikus elméletével, valamint a spektroszkópiával is.
Joseph John Thomson
(1856 – 1940) angol fizikus
1870-ben mérnökként tanult a Manchesteri Egyetemen, 1876-ban a cambridge-i Trinity College-n folytatta tanulmányait. 1880-ban szerezte tudományos fokozatát matematikából, 1884-ben a fizika professzora, majd a cambridge-i fizikai intézet, a Cavendish Laboratórium igazgatója lett. 1918-tól haláláig a cambridge-i Trinity College igazgatója volt. 1884-ben az Angol Királyi Társaság (Royal Society) tagjává választotta, 1915-től pedig ugyanezen társaság elnöke lett 1920-ig.
1894-ben megmérte a katódsugárzás sebességét, melyről kimutatta, hogy ezred része a fénysebességnek. 1897-ben azt tapasztalta, hogy a katódsugárzás elektromos mezőben is eltéríthető. 1899-ben meghatározta az elektron töltését, de elég nagy hibával. Ebben az évben azt is megmutatta, hogy a fényelektromos jelenség során kilépő részecskék fajlagos töltése megegyezik a katódsugárzás részecskéinek fajlagos töltésével, tehát a fényelektromos jelenségben is elektronok lépnek ki az anyagból. 1904-ben megalkotta saját atommodelljét. 1907-ben rájött arra, hogy elektromos és mágneses mezőt egyidejűleg alkalmazva, a különböző sebességű, de azonos fajlagos töltésű részecskék becsapódási nyomai parabola íven helyezkednek el. Kísérletileg sikerült megcáfolnia az atom oszthatatlanságáról szóló elméletet.
1906-os Nobel-díját a gázok elektromos vezetőképességének elméleti vizsgálatáért és fizikai kísérleteinek érdemeiért kapta.
Műtárgyak
Szikrainduktor, 1900-as évek eleje
Az elektromágneses indukció elvén működő szikrainduktort a fizikai kutatásokban a gázkisülési csövek nagyfeszültségű tápforrásaként alkalmazták. Induktorral és gázkisülési csővel fedezték fel az elektront, az ionsugarakat és a röntgensugarakat. A készülékkel előállított feszültség a 100 000 V-ot is elérhette, így nagyfeszültségű eszközök (pl. röntgencső) áramforrásaként is szolgált.
(lelt.szám: 97.171.1, MMKM Elektrotechnikai Gyűjtemény, kiállítva az Elektrotechnikai Múzeum „Töltődj fel!” utazó kiállításában)
RTG cső, 1920-as évek eleje
(lelt.szám: 86.191.1, Műszaki Tanulmánytár gyűjteménye, kiállítva az Elektrotechnikai Múzeum „Töltődj fel!” utazó kiállításában)
Máltai kereszt, taneszköz
(lelt.szám: ID.16, MMKM Elektrotechnikai Gyűjtemény, kiállítva az Elektrotechnikai Múzeum „Töltődj fel! utazó kiállításában)
Crookes-cső, foszforeszkáló ásványdarabokkal, 1910-es évek
(lelt.szám: 70.645.1, Műszaki Tanulmánytár gyűjteménye, kiállítva az Elektrotechnikai Múzeum „Töltődj fel! utazó kiállításában)
Részlet a kiállításból
Kísérletek
Egy varázslatos eszköz, a „plazmagömb”
A plazmagömb lényegében egy gáztöltésű lámpa. A külső üveggömb közepén egy kisebb üveggömb látható és a két gömb egységes üvegedényt képez, melybe nem nyúlnak bele fémes elektródok. A nagy gömb nemesgázt tartalmaz. A kis gömbbe (kondenzátorgömb) vezetett 15-20 kV nagyságú, valamint 10 kHz-nél nagyobb frekvenciájú váltakozóáram, sajátos formájú kisülési fonalakat gerjeszt. A kisülés színe a nemesgázoktól függően változik: az argon (Ar) halványkékes, a neon (Ne) intenzív piros, a levegő halvány lilás színben látható. Amikor a „plazmalámpát” kézzel megérintjük, akkor a jobb földelés miatt a gömbben a kisülés intenzívebb fény formájában az ujjunkhoz irányul.
Érdekességek
Geissler csövek („The Cathode Ray Tube site” oldalon)
Crookes csövek („The Cathode Ray Tube site” oldalon)
