A mágnes története és jelentősége napjainkban

A tengerészet középkori szolgálati szabályzata kimondta, hogy mindazokat, akiket rajta kaptak a mágnes kő hamisításán "ha életét megkímélték, azzal büntessék, hogy a kezét, amelyet gyakrabban használ, tőrrel vagy késsel üssék át és ily módon szögezzék a hajó árbócához vagy a fővitorla rúdhoz".

E büntetés nyilván arányban volt a bűn nagyságával. A mágnes kő ugyanis nem volt más, mint egy kis darab mágneses érc és ezzel mágnesezték azokat a primitív iránytűket, amelyekkel az akkori tengerészek navigáltak. Ez a szigorú törvény a tudomány történetében világos bizonyíték arra, hogy milyen korán függött az ember a mágnesség csodájától, annak a jelenségnek egyik legsajátosabb megnyilvánulási formájától, amelyet ma elektromágneses energiának nevezünk.

A mágnesség jelenségét már évezredekkel azelőtt ismerték az emberek, mielőtt annak okait feltárták volna. Biztosra vehető, hogy a kőkorszak embere ismerte a mágnes kőnek, a magnetitnek is nevezett vasércnek a tulajdonságait. Hogy honnan ered és mikor keletkezett maga a "mágnesség" kifejezés, azt nem tudjuk. Az idősebb Plinius, a híres római természetkutató egy Magnus nevű pásztorról ír, aki meglepődött azon, hogy a mágnes kő hogyan vonzza a cipőjébe vert vasszöget. Lucretius római költő viszont azt állította, hogy a mágnes kő a mondabeli Magnezius országtól kapta nevét, ahol a mágnes követ állítólag felfedezték.

Ha meggondoljuk, hogy tulajdonságai első pillanatra mágikusak, nem meglepő, hogy a mágnesről a különféle magyarázatok valóságos áradata keletkezett. A római Claudian azt hitte, hogy a mágnes azért vonzza a vasat, hogy "táplálékot" gyűjtsön. Descartes, a XVII. században élt francia filozófus azt a nem kevésbé fantáziadús feltételezést fejtette ki, hogy a mágneses anyagokat apró csavarok borítják, amelyek folytonosan forognak és a vas felszínén lévő számtalan menetes lyukba csavarodnak bele.

A mágneses erő megértésének kulcsához az egyszerű rúdmágnes jellegzetes tulajdonságának alapján juthatunk. Ha a rúdmágnest egy csapra állítjuk, vagy úgy függesztjük fel egy zsinórra, hogy szabadon elfordulhat, akkor mindig észak-déli irányba áll be. Ezért végeit északi, ill. déli pólusnak nevezzük. A mágnespatkónak is vannak ilyen sarkai. Egy-egy mágnes végződései különbözőképp viselkednek, ami világosan látható akkor, ha két mágnest közelítünk egymás felé. Az egyik mágnes északi sarka vonzza a másik déli sarkát és fordítva. Ha azonban azonos sarkaikat közelítjük egymáshoz, akkor kölcsönösen taszítják egymást.

A bonyolult viszonyok akkor válnak világossá, ha egy rúdmágnest két részre vágunk. Ekkor mindkét fele egy-egy új mágnes lesz, amelynek saját északi és déli sarka van. Ha a régebbi idők tudósai elképzelték volna, hogy egy mágnest folytonosan megfeleznek addig, amíg mindkét fele olyan kicsi lesz, hogy már csak egyetlen atomból áll, akkor felismerték volna a mágnességet, mint az anyag egy atomjának tulajdonságát. Ez azonban csak akkor sikerülhetett, amikor ismertté váltak az elektromosságról, az atomok elektromos tulajdonságairól, az elektromosság és a mágnesség összefüggéseiről szóló elképzelések.

Ma már tudjuk, hogy az elektromosság az oka egy sor igen hatásos természeti jelenségnek, kezdve a mágnes kő hasznos mágnességétől egészen a nyári villámok romboló színjátékáig. A XIX. századik azonban nem gondolták, hogy e jelenségek között összefüggés van. Azt a jelenséget, amit mi "sztatikus" elektromosságnak nevezünk, már a régi görögök is ismerték. Megfigyelték, hogy az erőteljesen megdörzsölt borostyánkő magához vonzza a porszemeket és a kisebb fonaldarabokat. A borostyánkő görög nevéből, az elektronból származik mai elektromosság szavunk is. Több mint másfél évezreddel később keltett újabb figyelmet ez a jelenség, ekkor kezdődött az elektromosság tervszerű kutatása.

Az elektromos áram hőhatásának civilizációs jelentőségét meghaladja az elektromosság felhasználása mechanikai munkavégzés, ill. mechanikai munka felhasználása elektromos energia "termelésére". Ezt az ember csak akkor érte el, amikor felfedezték a két, látszólag egymástól független jelenség, az elektromosság és a mágnesség összefüggéseit.

Ennek az összefüggésnek a kimutatására a dán Hans Chrsitian Oersted 1807-ben egy sor kísérletet végzett. Arra következtetésre jutott, hogy a drótban folyó elektromos áram magát a drótot alakítja egyfajta mágnessé, amelynek északi és déli pólusa van. Véleménye szerint az ilyen mágnességet ugyanúgy ki lehet mutatni a közönséges iránytűvel, mint ahogy az egyszerű rúdmágnesét. Feltételezésének igazolása céljából vezetőt helyezett el egy iránytűre merőlegesen úgy, hogy az iránytű és a drót keresztezték egymást. Azt hitte, hogy mivel a drót mágnessé vált, az iránytű 90 fokkal el fog fordulni és párhuzamosan áll be a dróttal, pontosan úgy, mint a közönséges rúdmágnes esetében. Amikor azonban az áramot bekapcsolta, nem történt semmi!

Évekkel később a koppenhágai egyetemen tartott előadásokat. Egy alkalommal a drótot véletlenül párhuzamosan - és nem merőlegesen - helyezte el az iránytűhöz képest, és így kapcsolta be az áramot. Mint egy varázsütésre a tű megmozdult, 90 fokkal elfordult és pontosan derékszögben állt be a dróthoz! Hát érdekes, nem? Az elektromos áram tehát mégiscsak mágneses teret hozott létre a drót körül. (Oersted korábban nyilván tévedett az irány meghatározásában.) Végre ismerté vált tehát az elektromosság és a mágnesesség összefüggése.

Egy évvel rendkívül jelentős felfedezése után André Marie Ampére francia fizikus úgy találta, hogy az áram alatt lévő drót mágneses hatást gyakorol a közelében elhelyezett másik drótra. Ha a párhuzamos drótokban azonos irányú áram folyik, egymást kölcsönösen vonzzák, az ellentétes irányú áramhordozók pedig taszítják egymást. Ampére eredményei igazolták Oersted kísérleti felfedezését, amely szerint az elektromos áram önmaga körül mágneses teret képez.

A megfordított kérdés még többet ígér: képes-e a mágneses tér elektromos áram előidézésére? Körülbelül egy évtizeddel Oersted kísérlete után 1830-ban az amerikai Joseph Henry és 1831-ben az angol Michael Faraday felfedezték, hogy a mágneses tér valóban képes, igaz, rövid ideig tartó áram előidézésére, azzal a feltétellel, hogy a mágneses tér mozgásban van.

Mintegy 30 évvel a Volta-elem feltalálása után két tudományos cikk egy új áramforrásról adott hírt. Angliában Faraday 1832-ben közölte, hogy sikerült "a mágnességet elektromossággá átalakítani". Áramot vezetett dróttekercsen keresztül, ez mágneses teret hozott létre, ez utóbbi ismét áramlökést indukált egy másik tekercsben. Amerikában Joseph Henry kijelentette, hogy ő pontosan ugyanezt csinálta. Henrynek valóban korábban sikerült ez a felfedezés, mint Faradaynak, mivel azonban ő nem hozta elsőnek nyilvánosságra (ugyanis rendkívül szerény ember volt és szeretett volna teljességgel megbizonyosodni minden körülményről), vele kapcsolatban minden elismerést visszautasított. A két feltaláló tiszteletére ma a Henry és a Faraday elektromos mértékegységek.

Az "elektromágneses indukció" (áramtermelés állandóan váltakozó mágneses tér hatására) felfedezése egyike az egész elektromosságra vonatkozó kutatás legtermékenyebb, legfontosabb megfigyeléseinek. Miután végre megértették az alapelvet, világossá vált, hogy a galvánelem nem az egyetlen és nem is a legkényelmesebb formája az elektromosságnak, így végül a generátor vált az energiatermelés egyik legfontosabb gépévé.

A generátorokban mechanikai munkával dróttekercset forgatnak mágneses térben. Mialatt a tekercs forog, benne ugyanolyan áramlökések keletkeznek, mint amilyenek Henry és Faraday egyszerű kísérletei során. Ezt a tényt olyan mágnessel lehet bizonyítani, amely egy dróttekercs közelében mozog és eközben a tekercs meneteiben áramot indukál. Ha a mágnes megáll, a tekercsben nem lehet áram jelenlétét kimutatni. Az elektromotor pedig nem egyéb, mint a generátor megfordítása. Ez a jelentős találmány idővel azzá az áramforrássá lett, amelyet napjainkban az egész világon felhasználnak.

Köszönjük Oersted, Henry, Faraday és Ampére!

2012. szeptember