A címben feltüntetett tárgyak nyilvánvalóan különböző rendeltetésűek, és a technika történelmének színpadán is különböző időpontokban tűntek fel. Amikor a villamosenergiát szállító távvezetékek megjelennek, a lándzsák már csak a múzeumok leltárában szerepelnek, az árbocokat pedig csak különleges rendeltetésű hajókon (iskolahajókon) láthatjuk. Van azonban egy technikai szempontból közös vonásuk: mindhárom test keresztmetszetének kicsi a sugara. Ez magyarázza meg, hogy mindhárom test azonos módon viselkedik egy bizonyos fizikai jelenségkörben. Kövessük a történetet!
Julius Caesar katonainak különös élménye
Több mint 2000 évvel kell visszalapoznunk a történelemben, Julius Caesar egyik egyiptomi hadjáratának idejére, amelyet egy ismeretlen szerző a Bellum Africanum (Afrikai háború) című művében örökít meg.
Februárban, hatalmas zápor és jégeső után, éjfél táján mutatkozott az a tünemény, amelyről a szerző így ír a 47. fejezetben: „Eadem quintae legionis pilorum cacum in a sua sponte arserunt” (Ezen az éjszakán az ötödik légió lándzsáinak végei önmaguktól lángoltak). A szerző katonás egyszerűséggel számol be a jelenségről, semmiféle kommentárt nem fűz hozzá.
Ma már tudjuk, hogy nem rémlátás volt. A jelenséget az idők folyamán számtalanszor megfigyelték. Különösen sokszor találkozunk hasonló fénytünemény leírásával a hajósok történeteiben.
„Lidércfény”
Idézünk H. Melville Moby Dick című regényének negyvenegyedik fejezetéből: „Valamennyi keresztárbockar csúcsán sápadt fény libegett; mindegyik háromágú villámhárító hegyén fehér láng fénylett, s a három magas árboc némán égett a kénes levegőben, mint három óriási viaszgyertya az oltár előtt.” S a lángok a kapitány kezében levő szigonyon is megjelentek: „… a szigony éles acélszakállából most sápadt, elágazó tűz vízszintes lángjai törtek elő. A néma szigony úgy égett ott, mint a kígyó nyelve”.
Az árbocos hajók legénysége számtalanszor látott ilyen és ehhez hasonló jelenséget, amelyet mindenki a maga módján magyarázott. A jelenség természetes okát: a légköri elektromosságot és a nagy erősségű elektromos teret abban az időben nem ismerték. Ezért megelégedtek azzal, hogy – a megnevezni annyi mint érteni és bírni ősi berögződésnek engedve – magyarázat helyett legalább nevet adjanak a jelenségnek, így kapta az a Szent Elmo tüze nevet. Hogy erre a célra miért éppen a szoptatós dajkák védőszentjét választották ki, nem tudhatjuk.
Az idők folyamán a megfigyelések is szaporodtak. A tünemény csak zivataros időben jelentkezik, amikor is elektromosan töltött felhők úsznak az égen. Ilyenkor a tornyok csúcsai, a villámhárítók, a fák, az ereszcsatornák kiálló részei, a botok szeges végei kísértetiesen világítanak a sötétben. Észlelhető a jelenség esőben és hóhullásban is, amikor a nedves tárgyak, sőt az esőcseppek és a hópelyhek is halvány fényben ragyognak.
Ez a hideglángú fénytünemény óriási méretekben is jelentkezik. Dél-Amerikában az Andes hegység csúcsai néha éjszakánként hatalmas fényszóróként működnek, és magas lángokat lövelnek az ég felé, amelyek a tengerről több száz kilométer távolságból is látszanak.
Mi a magyarázat?
Mindezeket a jelenségeket a nagy erősségű elektromos tér okozza. Az elektromos tér erősségének egysége a V/m (volt per méter). Ez megadja, hogy a térben két egymástól egy méter távolságra levő pont között mekkora a feszültség értéke. Minél nagyobb a feszültség egy adott távolságon, annál nagyobb az elektromos tér erőssége. Ha például két egymással szembeállított lemez között a feszültség 2000 volt és a távolság 5 centiméter, akkor a lemezek közötti ún. homogén elektromos tér erőssége: 2000 V/0,05 m = 40000 V/m. De hogyan idézhető elő ilyen nagy erősségű elektromos tér? A fenti példában mesterségesen töltjük fel a lemezeket egy áramforrás segítségével. Ilyenkor az egyik lemezen elektronfelesleg (negatív töltés), a másikon elektronhiány (pozitív töltés) jelentkezik. A természetben az áramforrás szerepét a zivatarfelhő tölti be. A hatalmas mennyiségű, rendszerint pozitív töltéssel terhes felhő megosztó hatást gyakorol minden földi tárgyra, amely felett elvonul. Ilyenkor a testben az eredetileg rendezetlen állapotban levő elektronok – a felhő elektromos terének hatására – rendeződnek. Ha a felhő pozitív töltésű, akkor a hegyes tárgy (lándzsa, árboc, villámhárító, antenna stb.) szabad végén gyűlnek össze a negatív töltésű elektronok. A fémes vezetőkben az azonos töltésű részecskék (elektronok) taszítják egymást, és így nagy sűrűségben gyűlnek össze a vezető csúcsán.
Az elektromos töltések sűrűsége az őket raktározó test felületének görbületével arányos. Gömb esetében a görbület minden pontban ugyanaz, így a töltések sűrűsége is ugyanaz. Csúcsos vezetőnél éppen a csúcsban nagy a görbület, tehát itt gyűlnek össze az elektromos töltések.
Az elektromos tér erőssége egyenes arányban van az őt létrehozó villamos töltések mennyiségével. Ezért a csúcsos vezető közvetlen környezetében nagy erősségű elektromos tér jöhet létre.
Nézzük meg, mi a hatása a nagy erősségű elektromos térnek a benne levő villamos töltésű részecskékre, például az ionokra. Az ionok a levegőt alkotó gázok molekuláiból és atomjaiból jönnek létre olyan módon, hogy az eredetileg semleges részecskékről elektronok szakadnak le (pozitív ionok jönnek létre), vagy a szabad elektronok telepednek meg a semleges atomokon és molekulákon (negatív ionok keletkeznek). Az ionok az elektromos térben mozgásba jönnek és alaposan felgyorsulnak.
A nagy sebességű ionok semleges molekulákba és atomokba ütközve újabb ionokat hoznak létre (ütközési ionizáció). A semleges atomok sok esetben nem engedik el teljesen elektronjaikat; ezek csak távolabb kerülnek az atommagtól, amitől az atom úgynevezett gerjesztett állapotba kerül. Az ütközés befejeztével a pályájáról kibillentett elektron ismét eredeti helyzetét foglalja el, miközben az ütközéskor elnyelt mechanikai energiát kibocsátja fényenergia formájában. Ezért világítanak a csúcsos vezetők. A fény színe a csúcsos vezető közelében levő gáz anyagi minőségétől függ. Ma ezeket a jelenségeket a csendes kisülések közé soroljuk. Mivel a vezetőt ilyen esetben fénykoszorú övezi, korona-kisülésről beszélünk.
A távvezetékek korona-kisülése
Ismeretes, hogy az összes energiafajták közül egyedül a villamos energia szállítható távvezetéken. Az erőművekben termelt villamos energiát gazdaságosan csak úgy lehet elvezetni a fogyasztóhoz, ha a szállítás nagy feszültségen történik.
A nagyon nagy feszültségű távvezetékek közvetlen közelében létrejövő nagy erősségű elektromos tér már okozhat csendes kisülést. A kisülés ugyanolyan fényjelenségben nyilvánul meg, mint a csúcsos vezetőknél. A távvezetékek zivataros időkben néha egész hosszuk mentén világítanak, sőt a kisülés szikrák formájában is jelentkezhet. (Ez a kisülés egyben nem kívánatos energiaveszteséget jelent.)
A korona-kisülés annál könnyebben jön létre, minél kisebb a távvezeték keresztmetszete (minél nagyobb a görbülete). Az energiaveszteség csökkenthető, ha a szállításra nem tömör huzalokat, hanem nagyobb átmérőjű csővezetékeket használnak.
A korona-kisülés elkerülésének másik módja, hogy az elektromos térerősség csökkentésére fázisonként nem egy, hanem több, párhuzamosan elhelyezett vezetéket alkalmaznak. Egyetlen fázis vezetésére két, három vagy négy, egymástól bizonyos távolságra elhelyezett vezetéket használnak. Ez a módszer lehetővé teszi az összvezeték hasznos keresztmetszetének növelését, így az energiaveszteség csökkentését.
Hasznos alkalmazások
A csúcsos vezetőben megosztás útján keletkező elektromos töltések könnyen szétválnak. A megosztást létrehozó test töltésével megegyező töltés a csúcsos vezetőben marad, míg a vele ellenkező előjelű töltés a csúcson át a megosztó testre áramlik, és semlegesíti ennek töltését. Ilyen módon semlegesíthetik a villámhárítók a felettük úszó felhők töltésének egy részét. (Ez „a felhő lefegyverzése”.)
A levegő ipari szennyeződését sokszor a szálló por idézi elő (például cementgyárak esetében). Ennek eltávolítására a csendes kisülésen alapuló elektromos szűrőket használnak. A megtisztítandó gázt olyan esőben áramoltatják, amelynek a közepén szigeteletlen huzal van. Ezt a eső falához viszonyítva nagy feszültségre töltik fel. Ilyen esetben a cső belsejében állandó korona-kisülés jön létre; a lebegő porszemek villamos töltésre tesznek szert, és a nagy erősségű elektromos tér hatására a cső falára gyűlnek, ahonnan is könnyen eltávolíthatók vízzel, ultrahanggal vagy mechanikai úton.
A tárgyalt jelenségnek nyilván több gyakorlati alk almazása van; mindannyinak a bemutatása lehetetlen. De talán szükségtelen is. Gondoljuk, a fentiekből is kitűnik, miként épül ki egy, illetve több jelenség megfigyeléséből kiindulva az illető jelenségkört leíró, empíriákon immár túlmenő tudományos elméleti alap, amelyre később ráépíthető a gyakorlati alkalmazások egész sora.
Megjelent A Hét II. évfolyama 17. számában, 1971. április 23-án
