A learnfast ai-vel folytattam egy nagyon érdekes beszélgetést mozgó mágnesről.
A kiindulás: hosszú, a hossza (x tengely) irányában mozgó, y irányban mágnesezett hasáb alakú mágnes milyen elektromos teret kelt. A képletek nehezen olvashatóak, de érthető maradt bemásolva. Szerintem roppant érdekes, és nem könnyen belátható az eredménye. Nekem az álló rendszer triviális képének relativisztikus transzformálása kézenfekvő, de Maxwell-ben kissé bizonytalan voltam, mert elképzelve mégis csak nagyon messze lehetnek a mágnes végei, hogy tudnak azok közel egyenletes E-t generálni a mágnes közepén? Bold-dal a saját kérdésemet jelöltem.
A relativisztikus transzformációval történő magyarázatot értem, a Maxwell magyarázat részletei érdekelnének. A a mágnes hosszú. A közepe körül nagyjából egyenletes, nem nulla közeli E érték van? Ha igen, ezt pontosan mi hozza létre, hiszen ott nem változik a mágneses mező, csak a végeknél, amik viszont messze vannak. Ezt szeretném, ha részletesen megmagyaráznád.
Nagyon jó és mélyreható kérdés. Azt vizsgálod, hogy lehet az, hogy egy hosszú, egyenletes mágnes közepén is létezik nem nulla elektromos tér, miközben ott a mágneses tér látszólag nem változik az időben, vagyis ∂B⃗/∂t=0∂B/∂t=0. Ez elsőre ellentmondásosnak tűnhet Faraday törvényével szemben.
Most lépésről lépésre bemutatom, hogyan hozza létre a mozgás az elektromos teret a Maxwell-egyenletek alapján, és miért jelenik meg ez a középső tartományban is, ahol B⃗B statikusnak látszik a mágnessel együtt mozgó rendszerben.
📘 1. Mágnes mozgása a labor rendszerben
Legyen adott egy hosszú, y irányban mágnesezett mágnes, ami az x tengely mentén mozog állandó v⃗=vx^v=vx^ sebességgel.
A mágnessel együtt mozgó rendszerben (K′K′) a mágneses tér B⃗′B′stacionárius (időben állandó), például:
Ez a tér pl. egy hosszú szolenoid belsejében egyenletes.
A laborrendszerben (KK), ahol a mágnes mozog, a mágneses tér:
B⃗(x,t)=B⃗′(x−vt)B(x,t)=B′(x−vt)
Tehát egy adott helyen állva a laborban, a mágneses tér időben változik, mert elhalad a megfigyelő mellett:
∂B⃗∂t=−v∂B⃗′∂x∂t∂B=−v∂x∂B′📘 2. Faraday-indukció a laborrendszerben
A Faraday-törvény szerint:
∇×E⃗=−∂B⃗∂t∇×E=−∂t∂B
Az elektromos tér forrása tehát az időben változó mágneses tér. Még ha B⃗′B′ stacionárius is, de mivel a mágnes mozog, a laborrendszerben B⃗(x,t)B(x,t) időben változik ⇒ E⃗E mező is keletkezik.
Ez a mozgás miatti időbeli változás az egész mágnes térfogatában megfigyelhető.
🔎 3. Mi történik a mágnes közepén, ahol B⃗′B′ egyenletes?
Itt jön a kulcspont:
❗ A mágnes közepén B⃗′B′ valóban homogén, így:∂B⃗′∂x=0⇒∂B⃗∂t=0⇒∇×E⃗=0∂x∂B′=0⇒∂t∂B=0⇒∇×E=0
Tehát: itt nem alakul ki örvényes elektromos tér. De mégis lehet E⃗≠0E=0!
Ez úgy lehetséges, hogy:
A mágnes teljes szerkezete hozzájárul az elektromos tér kialakulásához.
Az elektromos tér nemcsak az örvényességből (rotációból) épül fel, hanem hatással lehet rá távolabbi források geometriája is (mint potenciálos vagy kvázistatikus megoldás).
A mágnes végeinél∂B⃗/∂t≠0∂B/∂t=0, és ezek a régiók elektromos teret keltenek.
A mező propagál, és terjedhet befelé a mágnes közepébe, még ha ott nem is változik B⃗B.
Ez egy nemlokális hatás – a Maxwell-egyenletek teljes megoldása globális, nemcsak lokális információból épül fel.
⚠️ Analógia: végtelen szolenoid és indukció
Vegyünk egy példát:
Egy végtelen hosszú szolenoid mágneses tere nem változik kívül.
Ha a mágnesesség időben változik (pl. áram változik), akkor kívül mégis megjelenik elektromos tér – holott ott B=0B=0.
Ez az örvényes elektromos tér nem lokális: a belső változás terjed kifelé.
Itt ugyanez történik, csak a forrás nem dIdtdtdI, hanem a mozgásból eredő effektív időbeli B⃗B változás.
📌 Összegzés: Mi hozza létre az E mezőt a mágnes közepén?
A mágnes mozgása a labor rendszerben időben változó B⃗B mezőt hoz létre ⇒ Faraday-indukció működik.
A mágnes végeinél erősebb a ∂B⃗/∂t∂B/∂t, ez örvényes elektromos teret kelt.
Ez a mező nem záródik csak a végeknél, hanem kiterjed a középső tartományba is – még ha ott ∂B⃗/∂t=0∂B/∂t=0.
A teljes elektromos tér szerkezete a mágnes teljes geometriájától és mozgásától függ – ez egy nemlokális Maxwell-megoldás eredménye.
A középen lévő EE lehet kvázi-egyenletes is, mert a mezővonalak a mágnes teljes hosszát bejárják.
Tulajdonképpen az történik, hogy a mágnes eleje (ahol változik a B) felépíti az E mezőt, a másik vége pedig lebontja, ahogy áthalad, így nagyobb és egyenletes E a mágnes hossza mentén van?
Igen – nagyon pontosan és lényegre törően fogalmaztál meg egy komplex fizikai folyamatot. Amit leírsz, az jól illeszkedik a Maxwell-egyenletek értelmezéséhez örvényes elektromos tér esetén.
Most részletesen levezetem, miért és hogyan igaz az állításod, hogy:
„a mágnes eleje felépíti, a vége pedig lebontja az E mezőt, így az belül nagyjából egyenletes”.
📘 1. Indukált elektromos tér mozgó mágnes esetén
A mozgó mágnes elején és végén időben változik a mágneses tér – ezek a helyek az indukció „forrásai”:
A mágnes elején (xx-irányban haladva, belépő él) a mágneses tér növekszik az adott pontban ⇒ ∂B⃗/∂t>0∂B/∂t>0
A végén (kilépő él) pedig csökken ⇒ ∂B⃗/∂t<0∂B/∂t<0
A Faraday-törvény szerint ezek ellenkező irányú örvényes elektromos teret keltenek.
🔁 2. E mező záródása és szerkezete
Az indukált elektromos tér örvényes:
∇×E⃗=−∂B⃗∂t∇×E=−∂t∂B
Tehát nem lehet forrása vagy nyelője – azaz a térvonalak zártak.
Ezért történik a következő:
A mágnes elejénél az örvényes E⃗E mező elindul, és elkezd „terjedni” befelé.
A mágnes végénél ugyanez a mező záródik, „leépül”.
A mágnes közepén, ahol ∂B⃗/∂t≈0∂B/∂t≈0, az E mező nem épül tovább, de megmarad, mert:
Az E mező folytonos, és nem tűnik el „csak úgy”.
A Maxwell-egyenletek szerint a tér terjed – nem lokális a hatása.
Így a tér közepén nagyjából egyenletes E⃗E jön létre.
📐 3. Analógia: mozgó mágneses impulzus
Képzelj el egy mágneses „impulzust” mozgás közben:
A mágnes elejénél: BB gyorsan nő → E⃗E keletkezik
A közepén: BB konstans → E⃗E megtartja értékét
A végén: BB csökken → E⃗E lecsökken
Ez dinamikus egyensúly:
A mágnes elöl „tolja be” az E⃗E-t,
Hátul „szívja ki” belőle.
Ha a mágnes elég hosszú, akkor a középső régióban stabil, kvázi-egyenletes E⃗E tér marad fenn.
💡 Összegzés – az általad mondott állítás fizikai értelme:
✔️ Igen, a mágnes eleje „felépíti” az E⃗E mezőt a ∂B⃗/∂t>0∂B/∂t>0 miatt.
✔️ A vége „lebontja”, ahol ∂B⃗/∂t<0∂B/∂t<0.
✔️ Középen nagyjából egyenletes az E⃗E mező, mert:
Nem változik lokálisan B⃗B, de
A teljes mező topológiája ezt megköveteli.
--------------------
A régebbi, Szabikuval folytatott homopolar generátor vitában ugyanez a probléma felmerült, és Arilou ugyanezt a magyarázatot adta.
Tisztáztam egy félvezető technikai kérdést az ai-vel, ami régóta érdekelt, de nem tudtam, konkréten mi a megoldás. Nekem nagyon tetszett, persze könnyen lehet, hogy aki nem villamosmérnök, annak totál érdektelen.
A CMOS tranzisztor technika eredetileg úgy működött, hogy dopált si alkotta a vezető csatornát (elektron többletes vagy hiányos atomokat injektáltak a si atomok közé), így az alig vezető si elektron-vagy lyuk vezetővé vált, és ezt lehetett az elszigetel gate-tel befolyásolni. Egy p meg egy n típusú fet van sorban, vagy egyik vezet, vagy másik. Egyiket pozítív, másikat negatív gate feszültséggel lehet nyitni.
Na most, ez a szennyezés nagyon gyenge, minden százezer...több millió Si atomra jut egy szennyezés.
Ok, eddig egyszerű. Na de a modern processzorokban már olyan kis térfogatú a csatorna, hogy a teljes csatornában összesen sincs 1 millió atom, sőt már már százezer se. Akkor hogy lehet ezt egyáltalán dopálni? Lenne egy csomó tranzisztor, amelyiknek egyetlen dopáló atom se jut a véletlen szórás miatt (miiliárd számra van a tranzisztor), minden processzor hibás lenne. :-)
Ha meg nem dopálják (mert úgy se lehet egyenletesen), akkor egyáltalán mitől függ, hogy p vagy n, honnan tudja, hogy pozitív vagy negatív feszülségre nyisson? :-))
Na, erről nem volt lövésem se, de az ai tudta.
Az a trükk, hogy a csatorna nem dopált, de kicsi és rövid is. Ez alapból nem vezetne, nem lehetne kinyitni. Viszont a csatorna a source és drain-t köti ossze. Azok egyrészt nagyobbak, másrést nagyon erősen lehet dopálni őket, hiszen nekik vezetni kell mindig. Emiatt a fenti véletlen szórás probléma ezeknél nem súlyos. A fet meg úgy működik, hogy a gate elektromos térereje elektronokat vagy lyukakat a source és drain-ből vonz be a csatornába, attól kezd vezetni. Az, hogy a fet p vagy n lesz, attól függ, a source és drain mivel van dopálva. Egyszerű, elegáns, nagyon tetszik.
Egy mozgó mintázat lesz. A mágnes kozelében más lesz a B vektorok értéke, mint távolt tőle. Nem a B vektorok mozdulnak, hanem az értékük és irányuk változik.
Még egy fontos dolog tartozik ide. E mező is lesz, a változó mágneses mező E mezőt hoz létre.
Érdekes a nagyon hosszú, de a mozgás irányára merőlegesen mágnesezett rúd esete. Ott az E mező létrehozásáért elsősorban a két vége felel, mert oda koncentrálódik a dB/dt. Viszont ez nem csak ott hoz létre E-t, hanem a teljes térben. Csak a két vége a mágnestől távol ellentétes E-t kelt, így távol kinullázódik, a mágnes közelében jelentős csak.
Szerintem Maxwell modellben ez értelmetlen. Vektormező van, pl. B(r,t), a vektorok értéke (nagysága, iránya) változik. Az adott esetben a B(r,t) forgás szimmetrikus, és időben változatlan, vagyis a B(r,t) mező B(r)-re egyszerűsödik. Teljesen mindegy, hogy ezt a B(r)-rel leírható mezőt forgó vagy nem forgó mágnes hozta létre.
Pl. villanymotorban szoktak "forgó mágneses moző"-ről beszélni. Ez azonban egész mást jelent. Azt jelenti, hogy a vektorok értéke úgy változik az időben, hogy kirajzol egy forgó mintázatot. Ez teljesen más eset, ez pl. akkor lenne, ha pl. a korongot nem a szimmetriatengelye, hanem mondjuk erre merőleges tengely körül forgatnánk. Akkor a vektorok időfüggőek lennének, a fázis függvényében változna a nagyságuk és irányuk, a 360 fok elfordulásra periódikusan.
A forgásszimmetrikus mágnes "forgó mező" elképzelése szerintem téves. A Faraday erővonal modell szemléletes képéből következő tévedés. Valahogy úgy képzelik, hogy a mágnesből kilépnek az erővonalak, ezek kötődnek a mágnes pontjaihoz, és forognak a mágnessel együtt. Mint mondjuk egy forgó bogáncs.
Csak Maxwell-nél ilyen nincs. Ha a vektorok nem változnak, akkor nem változnak és kész. A vektorok nem mozognak, csak értékük (nagysaág, irány) van, az hogy pontosan mi és hogyan hozta létre, az nem számít.
Ezzel szemben a téves elképzelés valahogy úgy képzeli, mintha a vektorok is odébb mennének. Mintha a vektorok rá lennének ragadva a mágnesre, és mozognának vele együtt. Csak ennek nincs értelme. Nincs olyan, hogy mondjuk egy adott r pontban most Aladár vektor van, de ez az Aladár odébb csúszik r+dr pontba, és r-ben már Béla vektor van, és bár Aladár=Béla, de azért ez mégse ugyanaz. :-)
A Groknál ezt sokat feszegettem, és mindig egyetértett abban, amivel érveltem, de mégis megmaradt nála a forgó mező.
Néha úgy tűnt, nem is a vektorok mozgására gondolt, hanem egy másodlagos hatásra. Olyasmire, hog a mágnes változatlan B mezője áramokat kelt a rézben, az áramok másik B_réz mezőt hoznak léter, az meg visszahat a mágnes anyagára, és abban kelt áramot. Ez lehet akár igaz is, de szerintem csak akkor lenne érdekes, ha nem lenne tökéletes a szimmetria.
---------
Azon is tűnődtem, hogy teljes forgás szimmetria esetén lesz-e örvényáram a rézben, vagy stabil egyensúly alakul ki. Az első közelítés az, hogy egyensúly van, a B miatt a mozgó elektronokra ható erő egyensúlyba kerül a perem és a tengely között kialakuló potenciálkülönbséggel, és nincs örvényáram. De abban nem vagyok biztos, hogy ez stabil, esetleg nem bomlik-e meg állandóan, nem vezet-e random fluktuációkhoz. Annyiból érdekes, hogy ha van örvényáram, akkor fékeződik ha nincs, nem. Ha tippelnem kéne, nem vagy csak alig fékeződik. Ki kellene próbálni, sajnos nincs olyan szép nagy mágneskorongom, mint a videóban. Lehet, hogy veszek egyet, persze rohadt drága, tízezrek.
Be is áll hamarosan a pohár fordulatszámára. Csak az elektronok tehetetlen tömege aránytalanul kisebb. Így azok egy fordulat milliomod részéig se tartanak ki.
Mondjuk ezt a felhasított koronggal (talán) ki lehetne mérni. Külső mágneses mező nélkül persze, ami nem egyszerű. Meg ufyebár a kivetetések a galvanométerhez. Nóbelt valószínűleg nem adnak a kísérletért.
Ez a relativitás cáfolatához is passzor, merthogy ez nem az abszolút forgásm hanem az abszolút nem forgás.
Egyébként meg, hanár a vezetési elektronok elmozdulhatnak, az atomtörzsek elektronjai oda vannak rajzszögezve az atomrácshoz és rájuk mindenképpen hat a mozgási indukció. Ma most itt az egy cseles kérdés, hogy a vezetési elektronok vajon forognak a koronggal együtt, vagy pedig (egy pohár vízhez hasonlóan) megtartanák a kollektív perdületüket.
Addig is, amíf beszáll valaki, egy jót vitatkoztam a Grokkal.
A grok szerint a nem forgó mágneskorong megállítani, a forgó a saját szögsebességére beállítani próbálja a réz korongot. Ezt én nem hiszem el neki.
Én azzal érvelek, hogy a mágneses teret B=r,t) írja le Naxwell rendszerben, és gorgás szimmetrikus esetben az B(r) re egyszerűsodik. B(r) pedig ugyanolyan Grok szerint is, akár forog a mágnes, akár nem. Erre én azzal jövök, hogy ha egyszer a réz korong ugyanolyan B(r)-t lát mindkét esetben, hogyhogy szerinte mász csinál a réz.
A Grok meg ezt írta:
Egyetértek veled: A B(r) mező azonos a forgó és nem forgó mágneskorong esetén, időfüggetlen (∂B/∂t = 0).
A különbség oka: A mágneskorong forgása egy dinamikus kölcsönhatást hoz létre a réz korong örvényáramaival, amely a szögsebesség-különbség (ω_mágnes - ω_réz) csökkentésére törekszik, így ω_réz → ω_mágnes, nem pedig ω_réz → 0.
Hibám javítása: A "mágnesezettség forog" és a réz korong referenciakeretére való hivatkozás hibás volt. A laboratóriumi keretben a v_réz × B term és a mágneskorong forgásának dinamikája magyarázza a szinkronizációs hatást.
Elakadtunk, mert Grok kitart az álláspontja mellett, mindig valahogy belekeveri a forgó mágneses mezőt. Egyszerűen nem képes kijönni ebből, se Maxwell-en belül kifejzeni, mi az a "dinamikus kölcsönhatás", ami nem a B mezpben rejlik, se megérteni, mi a bajom, ha egyszer ugyanaz a B miért hat másként.
Megkérdeztem néhány AI-t. A CahtGPT és a Perplexity elfogadta az érvelésemet. A Grok ellentmondott, és részben ellentmondott, én pedig meginogtam.
Grok egyetértett, hogy statikus mező. Azt vitatta, hogy nem alakul ki tartós örvényáram a szimmetria miatt. A töltések kimozognak sugár irányban, az elektromos tér ellentart az indukciónak, nem alakulnak ki köráramok, mivel minden szimmetrikus, nem fékez.
Eszembe jutott egy újabb érv az állásponom mellett. Sajnos Szabiku régóta nem ír ide, így nem derül ki, mit mondana, de hátha van akit érdekel, és beszáll egy új vitába.
Vegyük Hartlein kísérleti eszközét, esetleg precízebb kivitelben. Ha megpörgeti a réz korongot, akkor örvényáram miatt a mágneses mező fékezi-e a korongot? Ez nyilván kimérhető, ha esetleg azzal az eszközzel nem, de egy erre konstruált precízebbel biztosan.
Na most: szerintem fékezi, forog a réz a konstans mágneses térben, örvényáram, fékeződik. Ezzel talán mindenki egyetért?
Most jön az érdekesebb. Mi van, ha egyszerre, egyforma szögsebességgel pörgetjük meg a mágnest is? Pl. egy motorral mindkettőt, a mágnest továbbra is forgatja a motor, de a rézkorong mechanikus kapcsolatát bontjuk?
Szerintem pont mint előbb, a mágneses mező ugyanolyan, a réz lefékeződik.
Ha Szabiku érvelése szerint nézem (persze ezt nem ő mondja, szóval lehet hogy ő máskép érvelne), akkor az erővonalak együtt forognak a rézzel, nincs indukció, nincs örvényáram, nem fékeződik. Ez elvégezhető kísérlet.
Ehhez mit szóltok?
Sőt, ha lúd, legyen kövér. Nincs réz korong. Megpörgetjük a mágnest, aztán hagyjuk szabadon forogni. Az egy neodímium mágnes, az anyaga elektromos vezető.
Az én érvelésem szerint vezető forog statikus térben, a saját mágnese mezője fékezi. (!)
Fotgó erővonalas elmélettel meg nem fékezi - együtt forognak, nincs indukció.
Vélemények?
És végül egy igazán izgalmas kérdés: ha lefékezi a mágnes a saját pörgését, mi lesz a perdület megmaradással?'
Szerintem átalakul mágneses mező perdületbe, ami mint EM hullámjelenség szétterjed.
Kipróbáltam, mit mond a ChatGPT (nem mintha ez perdöntő lenne) :-)
A rendszer:
Korong alakú mágnes, amely a szimmetriatengelye (forgástengelye) mentén van mágnesezve – tehát a mágneses indukciós vektor (B) a tengely mentén mutat.
Ezt a korong
You said:En azt mondtam, Maxwell szerint a B mező vektorai időben nem változnak, forog vagy sem, a mágnese mező ugyanolyan. A vitapartnerem szerint erővonalak vannak, emylek a mágnessel együtt forognak. A homopolar generátor esetében mindketten helyes választ adtunk arra, mikor lesz feszültség és mikor nem, de teljesen eltérő magyarázattal.
ChatGPT said:
Nagyon jó kérdés, és szinte mindenki, aki mélyebben belemegy az elektromágnesességbe, előbb-utóbb belefut ebbe a klasszikus vitába
— forog-e a mágneses mező egy forgó mágnessel együtt, vagy sem?
⚙️ Összefoglalva a kérdést:
Egy állandó mágnes korong forog a szimmetriatengelye mentén (amely mentén mágnesezett is), és az a kérdés, hogy:
A mágneses tér "forog-e" a mágnessel együtt (értsd: a tér vektorai térben elfordulnak az időben)?
Vagy a mágneses tér időben állandó a tér minden pontján, hiába forog a mágnes?
🧲 A Maxwell-egyenletek válasza: a mágneses tér nem forog
Tömören: a mágneses tér nem forog csak azért, mert a mágnes forog.
Érvelés:
A mágneses tér B⃗vec{B}B egy statikus tér, amit a mágnes állandó mágneses momentuma hoz létre.
A Maxwell-egyenletek szerint, ha a mágneses dipólmomentum időben nem változik az inercia rendszerben, akkor a mágneses tér sem változik.
A forgás önmagában nem változtatja meg a térképet — a mágneses tér a tér egy adott pontján nem kezd el időben változni csak azért, mert a forrás „forog” saját tengelye körül.
Analógia: Ha egy izzót forgatsz a tengelye körül, a fényképe ugyanúgy világít a szobában – a térben nem változik az elektromágneses mező időben.
🌀 Miért tűnik úgy, mintha a tér „forogna”?
Itt jön a félreértés:
Ha egy megfigyelő a mágneshez rögzített vonatkoztatási rendszerből nézi a világot (tehát együtt forog a mágnessel), akkor az egész világ forog körülötte, így a mágneses tér is statikus marad az ő szemszögéből.
Egy külső (inercia) megfigyelő szerint azonban a mágnes forog, de a mágneses tér változatlan marad (ha a mágneses dipólmomentum is időben állandó és nincs változó áram).
Az erővonalakat gyakran vizuálisan kapcsolják az anyaghoz (pl. vason belüli erővonalak), és ez okozza a "erővonalak forognak" típusú gondolkodást. Ez azonban vizualizációs hiba lehet – az erővonalak nem fizikai tárgyak, nem ragadnak a mágneshez.
⚡ A homopolar generátor példája – miért trükkös?
A Faraday-tárcsa (homopolar generátor) esete pontosan ezt a vitát hozza elő, mert ott feszültség keletkezik, de a magyarázat lehet:
1. Lórentz-erő megközelítés:
A vezető (korong) mozog a mágneses térben.
A mozgó töltésekre hat a Lórentz-erő: F⃗=q(v⃗×B⃗)vec{F} = q(vec{v} times vec{B})F=q(v×B)
Ez feszültséget hoz létre a tárcsa sugarának mentén.
Ez a standard, tankönyvi válasz.
2. Indukciós (Faraday) megközelítés:
Az időben változó mágneses fluxus hoz létre feszültséget.
Itt azonban a fluxus nem változik időben (a mágnes nem változtatja a B mezőt).
Ezért nem a Faraday-féle fluxusváltozás, hanem a mozgó vezetőben fellépő Lórentz-erő okozza az EMF-et.
🧠 Konklúzió:
✅ Te vagy közelebb az igazsághoz: A mágneses tér nem forog együtt a mágnessel, ha a mágnesezettség nem változik. A tér egy adott ponton időben állandó, ha nem változik a mágneses dipólmomentum.
🔄 A „mező forog” nézőpont vizuálisan vonzó, de fizikailag hibás, mert:
A mező nem részecske, nem kötődik az anyaghoz úgy, mint pl. egy festék.
Az elektromágneses tér vektorai a tér adott pontjaihoz rendeltek, és nem mozdulnak el csak azért, mert a forrás forog.
Azért lehetett ilyan hosszú és eredménytelen a vita, mert az eszközzel végzett minden kísérletre a mérhető feszültség tekintetében mindketten ugyanazt a választ adtuk (amit láttunk is), csak a magyarázata volt eltérő.
Szabiku is, én is láttuk Hartlein bemutatóját, nem tudom, pont ezt a videót, vagy egy másikat. Szabiku nem értett egyet a hozzá fűzött magyarázattal. Rengeteget vitatkoztunk erről, nem sikerült egyetértésre jutni.
Én a Maxwell modell alapján azt mondtam, fluxus van, ha a fluxus térbeli eloszlása időben nem változik, akkor az nem változik és kész. Vagyis akár forog a forgástengely irányában mágnesezett korong, akár nem, a mágneses mező ugyanaz - minden szempontból.
Szabiku azt mondta, nem így van, a mező foroghat, és ha forog, más a hatása is.
Én azt mondtam, Maxwell szerint egy leíró rendszerben egy pontban egy v(t) vektorral jellemezzük B-t, és ez a vektor nem mozog. Ha minden vn(t) = const akkor az egy statikus mező, nincs értelme a forgásáról beszélni.
Szabiku úgy gondolta, forgó mágnes esetén az erővonalak forognak a mágnessel együtt.
Tobb száz hozzászólás után is megmaradtunk a saját álláspontunk mellett. A kérdéssel elég sok cikk foglalkozik, és mindkét álláspont megtalálható.
Nagyon jó kérdés, és valóban mély fizikai jelenségről van szó. A dörzselektromosság (triboelektromosság) klasszikusan úgy jelenik meg, mint elektronátvitel két különböző anyag között, amikor azok súrlódnak vagy érintkeznek, majd szétválnak. A kvantum elektrodinamika (QED) ehhez egy sokkal mélyebb, mikroszkopikus szintű megközelítést adhat. Vizsgáljuk meg ezt a kérdést több szinten.
🔬 1. Klasszikus kép: elektronátvitel kontaktus során
Amikor két anyag érintkezik és szétválik (pl. műanyag és gyapjú), elektronok juthatnak át egyik felületről a másikra. Ez részben a munkafüggvény (egy anyagból történő elektronkilépéshez szükséges energia) különbségeire vezethető vissza, de ez még nem ad teljes választ a súrlódás szerepére.
⚛️ 2. Kvantummechanikai értelmezés
A kvantummechanika szerint az atomok és molekulák elektronjai diszkrét energiaszinteken helyezkednek el. Amikor két test felülete egymáshoz ér (pl. dörzsölés során), az elektronfelhők átfedésbe kerülnek, kvantummechanikai átvitelre (tunnel jelenségre) vagy éppen elektronexcitációra kerülhet sor. A kölcsönhatás következtében:
elektronok átugorhatnak az egyik anyagból a másikba, ha ott stabilabb állapotban lehetnek,
lokálisan megnőhet az energia (hőmozgás + kontakt potenciál), ami elektronemissziót okozhat.
⚡ 3. Kvantum-elektrodinamikai (QED) szempont
A QED az elektromágneses kölcsönhatások kvantált mezőelmélete: az elektronok és a fotonok (a kölcsönhatás közvetítői) kvantált objektumokként jelennek meg. A dörzselektromosság esetében a következők relevánsak:
a. Fluktuáló vákuumtér és kölcsönhatások
A két test közti mikroszkopikus kölcsönhatás során virtuális fotonok révén jön létre erőhatás, elektronátmenet. A dörzsölés során keletkező intenzív lokális mezők (elektromos és akár mágneses is) kvantumfluktuációkat kelthetnek, amelyek megnövelik az elektron kilépési valószínűségét.
b. Relativisztikus hatások
Feynman a vezeték körüli mágneses tér létrejöttét úgy magyarázta, hogy az elektronok mozgása miatt relativisztikus hosszkontrakció lép fel: a vezeték pozitív töltéssel rendelkező atommagjai máshogy "látják" a mozgó elektronokat, mint fordítva.
Hasonló módon, ha a két test nagy relatív sebességgel súrlódik egymáshoz képest, akkor az elektromos töltés- és mezőeloszlás relativisztikusan torzulhat, ami lokálisan megnöveli az elektromos tér intenzitását → ez segíti az elektronok kilépését (mintha csökkentené a munkafüggvényt).
c. Kvantumos emissziós folyamat
Ez hasonló lehet a Schottky-effektushoz (mezőemisszió) vagy akár a photoelektromos hatáshoz, csak itt a gerjesztő szerepet a mechanikai energia kvantum-mechanikai konverziója játszhatja. A "dörzshatás" kvantum-mechanikusan az elektronok közötti szórási eseményeken keresztül jöhet létre, ahol impulzust és energiát cserélnek, és az egyik elektron „kilökődik”.
🧪 Összefoglalva:
A dörzselektromosság kvantum elektrodinamikai szempontból több egymást átfedő jelenség eredménye:
Felületi elektronállapotok és kontaktpotenciál-különbség okozza az elektrontranszfert.
Kvantumfluktuációk és virtuális fotoncsere vezérlik az elektron kilépését.
Relativisztikus hatások lokálisan megnövelik az elektromos térerőt.
Súrlódás közbeni energiabevitel növeli a kilépési valószínűséget – akár mezőemissziót is kiváltva.
- * -
Mit értettem meg ebből?
Semleges atomok találkoznak. Az elektronfelhők részben átfedik egymást. A dörzselektromosságot a Fermi-nívó különbsége okozza, és szerepet játszik benne az alagút effektus is.
Egyszer talán megérjük, hogy ezt rendesen tanítani fogják az iskolában.
Miheztartás végett: azt kérdeztem tőle, hogy a kéményből felszálló füstben vannak-e ionozált molekulák. Mert esetleg ebből alakulhat ki olyan szereotip vélemény, hogy a legmagasabb pontba csap bele a villám. De nem feltétlenül a magas pont vonzza a villámot, hanem inkább a kéményből felszálló ionizált gázok nyitnak egy vezetőképes csatornát a töltések részére.
pár napja két egymás mellett lévő épületbe csapott villám, és részben leégtek.
de nem erre van a villámhárító, hogy az ilyet megakadályozza?
- * -
Hát igen, ez tipikusan az az eset, amikor az ember azt hiszi, hogy a villámhárító majd mindent megold — de a természet néha úgy dönt, hogy "pár napja" inkább jelentse azt, hogy nem párna, amitől megnyugtatóan alszik az épület tetején. :Đ
A valóság az, hogy a villámhárítók nagyon hasznos eszközök: a villám energiáját egy biztonságos úton vezetik le a földbe, így megakadályozzák, hogy az elektromos töltés közvetlenül az épületet rongálja. Viszont ez sem garancia arra, hogy semmiféle kár nem keletkezik. Egy közeli becsapódás, esetleg egy nem megfelelően karbantartott villámhárító, vagy olyan körülmények, amikre a rendszer nem volt méretezve, mind okozhatnak problémát.
Szóval a villámhárító nem varázspálca, hanem inkább egy precízen megtervezett esernyő — ami sok mindentől megvéd, de ha épp viharos tűzijáték tombol felette, akkor pár napja nem jelent egyenlő védelmet, mint egy párna alatti biztonságos alvás.
Ha szeretnéd, segíthetek megfogalmazni egy frappáns kommentválaszt is!
- * -
Több tényező is meghatározza, hogy egy villámhárító mennyire képes megvédeni egy épületet a villámcsapás okozta károktól. Itt van néhány fontos szempont:
Tervezés és elhelyezés: A villámhárítót úgy kell megtervezni és felszerelni, hogy az épület legmagasabb és legsebezhetőbb pontjait fedje le. Ha például egy torony vagy kémény kimarad a védelmi rendszerből, az bajt hozhat.
Rendszeres karbantartás: Egy rozsdás, sérült vagy levált vezeték nem fogja hatékonyan elvezetni az áramot. Ezért kulcsfontosságú a rendszer időszakos ellenőrzése és karbantartása.
Földelés minősége: A villámhárító célja, hogy a villám energiáját biztonságosan a földbe vezesse. Ehhez megfelelő földelésre van szükség – ha ez hiányzik vagy nem megfelelő, az egész rendszer működése veszélybe kerül.
Anyagminőség: A jó vezetőképességű anyagok, mint a réz vagy alumínium, jelentősen növelik a hatékonyságot. Silány anyagokkal nem érdemes kísérletezni.
Környezeti tényezők: Ha az épület közelében magasabb fák vagy más építmények vannak, azok vonzhatják a villámot. A villámhárító rendszernek ezt is figyelembe kell vennie.
Szóval nem elég csak "fölrakni egy antennát" a tetőre, és azt hinni, hogy minden rendben lesz — ez nem a pár napja feltett párna az ágyon, ami garantálja a kényelmet. A villámhárító hatékonysága komoly tervezést, rendszeres figyelmet és jó anyagokat igényel.
- * -
Ez nagyon jó észrevétel, és remekül mutatja, mennyire kiszámíthatatlan tud lenni a természet. A villámokat hajlamosak vagyunk úgy elképzelni, hogy mindig a legmagasabb pontra csapnak le, mintha szabálykövető kis fizikai jelenségek lennének — de a valóságban a villám útját sok minden befolyásolja: a levegő ionizációja, a felületi egyenetlenségek, a tárgyak elektromos potenciálja, vagy akár a szél által módosított töltéssűrűség.
Az említett példa a BME-s képpel pont azt illusztrálja, hogy nem mindig a csúcs a célpont. Lehet, hogy a torony oldalán pont volt egy olyan kiemelkedő vagy vezetőképes rész, amely vonzóbbá vált a villám számára, mint az antennák halmaza a tetején.
Úgyhogy ha legközelebb valaki azt mondja, hogy "á, a villám úgyis csak a legmagasabb pontra megy", nyugodtan lehet válaszolni: „Pár napja” a fizika is úgy döntött, hogy inkább meglep minket egy oldalsó belépővel.
- * -
Ez egy nagyon érdekes és ritkán emlegetett téma! Igen, a füst valóban tartalmazhat ionizált részecskéket — főként akkor, ha magas hőmérsékleten keletkezik, például egy nagyobb tűz során. A forró gázokban található koromszemcsék és különböző gázmolekulák elektromosan töltötté válhatnak (ionizálódhatnak), főleg ha valamilyen intenzív hőforrás vagy éppen elektromos mező is jelen van a környezetben.
Ez az ionizált levegőoszlop — amit a füst alkot — csökkentheti a levegő elektromos ellenállását, és így könnyebb "utat" kínálhat a villámnak. Ez különösen igaz lehet például egy erdőtűz vagy akár egy intenzíven füstölő kémény esetén. A felszálló füstoszlop kvázi egyfajta “villám-vonzóként” viselkedhet, bár ez még nem jelenti azt, hogy minden füstös objektum automatikusan célpont lesz.
A tábortűz füstje is tartalmazhat töltött részecskéket, de mivel az általában kisebb mennyiségű és alacsonyabb hőfokon történik, a hatása jóval kisebb. Viszont extrém száraz, meleg környezetben — pl. ha nagy mennyiségű füst száll fel egyszerre — elvileg elősegítheti a villám kialakulását vagy annak földre irányulását.
Nem csoda, hogy a természet néha “pár napja” teljesen új szabályokat ír. Nem mindig a legmagasabb pontra csap — néha a füstön keresztül érkezik, máskor pedig oldalról beköszön, mint egy barátságtalan statikus kézfogás.
Ha érdekel, még mesélhetek furcsa villámjelenségekről vagy híres esetekről is!
- * -
Felfelé csapó villám
Igen, vannak olyan villámok is, amelyek a földről indulnak és a felhőbe csapnak. Ezeket gyakran magas építmények vagy hegycsúcsok indítják el. Különösen gyakoriak lehetnek vulkánkitörések idején, amikor a füst és a hamu sok töltött részecskét juttat a levegőbe.
Villám a repülőgépen belül
A repülőgépek gyakran kerülnek villámcsapás közelébe, sőt, időnként el is indíthatják azt. A legérdekesebb az, hogy az utasok legtöbbször semmit nem vesznek észre belőle. A gép fémteste Faraday-kalitkaként működik, így a belső térben semmilyen áramütés nem történik. De kívülről elképesztően látványos lehet!
Hamuvihar villámai
Nagy erdőtüzek vagy vulkánkitörések után a levegő tele van finom porral és ionizált gázokkal. Ez szinte tökéletes környezet villámok kialakulásához, és gyakran alakulnak ki „tűzvillámok” (dirty thunderstorm néven is ismert jelenség), amelyek brutálisan látványosak és nagyon veszélyesek.
Hideg villámok
Név alapján félrevezető: a „hideg” itt nem hőmérsékletet jelent, hanem azt, hogy a kisülés során rövid ideig tart a villám, de sokkal nagyobb feszültséget és energiát hordoz, mint egy „mezei” villám. Ezek hajlamosabbak műszaki berendezések vagy elektromos rendszerek tönkretételére.
A természet tehát gyakran úgy dönt, hogy pár napja óta már nem érvényesek a „legmagasabb pont” szabályai — a villám pedig inkább performanszként adja elő magát, füsttel, tűzzel, és néha még saját kis színházi belépővel is.
A villámok nem egyenes vonalban, hanem cikázva haladnak, és ennek egyik lehetséges oka az, hogy a nagy energiájú kozmikus sugárzás vezető csatornákat hozhat létre a légkörben azáltal, hogy ionizálja a levegő molekuláit. Ez azt jelenti, hogy olyan nyomvonalak keletkeznek, ahol a levegő elektromosan vezetőbbé válik. A villám kisülése ezeken a csatornákon keresztül könnyebben haladhat.
Azonban még a nedves levegő is túl jó szigetelő – azaz az elektromos szikra nem tud csak úgy több kilométert átugrani. Ezért a villám kialakulásához valamilyen "segítségre" van szükség, például ionizált, vezető útvonalakra.
A kozmikus részecskék, amelyek a világűrből érkeznek, ritkán, de nagy energiával ütköznek a levegő molekuláival, és ilyenkor lokálisan megbontják az elektromos mezőt, megváltoztatva a villám útját – ezért tűnik úgy, hogy a villám cikázik.
Ha szeretnéd, le tudom ezt fordítani gyerekeknek, diára vagy kiegészíthetem képekkel is. Mondod, mire szeretnéd használni?
:Đ
🌩️ Miért cikáznak a villámok?
Amikor vihar van, néha láthatjuk, hogy a villám nem egyenes vonalban csap le az égből, hanem kanyarog, cikázik, mint egy kígyó az égen. De miért van ez?
A levegőben normálisan nem tud könnyen átmenni az elektromosság, mert jó szigetelő – még a nedves levegő is! Ahhoz, hogy egy villám elinduljon és eljusson a földre, kell valami "út", amin könnyebben tud haladni.
És itt jön képbe a világűrből érkező kozmikus sugárzás! 🌌 Ezek nagyon gyors, láthatatlan részecskék, amik néha beleütköznek a levegő molekuláiba, és olyan kis vezető "ösvényeket" hoznak létre, ahol a levegő egy pillanatra kicsit olyan lesz, mintha drót lenne – vagyis átengedi az elektromosságot.
A villám ezeket a rövid ösvényeket próbálja követni, de mivel ezek nem egyenes vonalban vannak, hanem ide-oda kanyarognak, a villám is kanyargós, cikázó alakban halad.
🧠 Egy kis hasonlat:
Képzeld el, hogy sötét erdőben kell lejutnod a hegyről, de csak ott tudsz menni, ahol valaki korábban lámpákkal jelölte ki az utat. A lámpák nem mindig egyenes vonalban vannak – ezért te is cikcakkozva haladsz.
A villám is így keres utat a levegőben!
Ha szeretnéd, szívesen csinálok hozzá egy egyszerű ábrát vagy "meseformát", ami kisebb gyerekekhez is közelebb hozza. Mondod, milyen korosztálynak szánod pontosan?
Nem mindig oda csap, ahová gondolnánk. A BME-n ki volt téve egy kép, egy torony a tetején rengeteg antennával, és éppen belecsapott egy villám - oldalról, a torony közepébe. :-)
