top
logo


Alagút effektus makro-méretekben?

Írta: Magyar Tamás és Joubert Attila


Az itt ismertetésre kerülő jelenség egy számunkra talányos gondolatkísérleten alapuló fizikai megvalósítás során jelentkezett. Mielőtt a gyakorlati megvalósításra térnénk, lássuk a feltételezett elméleti alapokat és a gondolatkísérletünket.

Megjegyzés: Először mindenképpen a cikket olvassa el, és aztán csak V. Feri kiegészítését, mert csak így lesz érthető az egész téma!

Az alagút effektusról a fizikakönyvekben általában a következőket olvashatjuk:

"Az alagút effektus jelensége abban áll, hogy egy részecske bizonyos valószínűséggel képes áthatolni egy olyan fékező erőtéren, amelynek leküzdéséhez a klasszikus fizika szerint nincs elegendő energiája. A jelenség magyarázata az, hogy a már említett határozatlansági tétel szerint az energia és az idő komplementer mennyiségek, úgy, hogy nagyon rövid időtartamhoz jelentős mértékű energiaszint ingadozás tartozhat. Ha tehát az alagút effektus olyan rövid idő alatt zajlik le, hogy a hozzá tartozó pozitív irányú energia kilengés fedezi a potenciálfalon való átjutás átmeneti energiaszükségletét, akkor az effektus elvileg létrejöhet. Az elektronikus áramkörök működése során minden egyes másodpercben több millió ilyen jelenség szokott lezajlani. Ezt a jelenséget azzal a hasonlattal lehetne jellemezni, mintha egy falnak támaszkodó ember egyszer csak "véletlenül" átesne a falon, anélkül, hogy akár ő, akár a fal megsérülne. Egy másik példa lehetne egy olyan magasugró esete, aki átlagosan 2 méter magas lécet tud átugrani, de az esetenkénti ugrási teljesítmény az átlag körül ingadozik. Így aztán előfordulhat, hogy néha még a küszöbön sem tud átkelni, máskor pedig egy emeletes házat is átugrik."

Dr. Litz József: Elektromosságtan és mágnességtan (Műszaki Könyvkiadó, 1998.) című könyvében pedig a következőket olvashatjuk: "Megállapodás szerint az elektromos mező A és B pontjai közötti UAB feszültségen értjük a mező Q ponttöltésen végzett WAB munkájának és a Q töltésnek hányadosát:"

UAB = WAB / Q

 

Szemléltetésként lássuk az 1. ábrát!

Az alapötlet

1. ábra

 

Képzeljünk el egy elektronemittáló katódot és tőle bizonyos távolságban egy gyorsító elektródát, mely a földelt katódhoz képest +Ugy gyorsító feszültségre van kötve. A gyorsító elektródát egy hozzá közel és vele párhuzamosan elhelyezett árnyékoló elektróda követi. Mindkettő lyukas középen, hogy az (elméletben jól nevelt) elektronok akadály nélkül átszáguldhassanak. Ezekhez az elektródákhoz viszonylag közel (közelebb, mint a katód és a gyorsító elektróda egymástól mért távolsága) van az anód. A talányos kérdés az volt, hogy kvázi-statikus feszültségek esetén mérhető-e az R ellenálláson extra anód-áramtöbblet? Mivel az anód és a katód ebben az összeállításban (a rendszer időállandójához képest igen sok idő múlva) kvázi-stacionárisnak mondható, feltételezhető, hogy Wkatód - Ugy + Whődióda = Wárnyékoló-R összefüggés a katód által emittált elektronokra felírható (lásd az előbbi képletet, a hődiódával kapcsolatban pedig később), ezért az R ellenálláson az Ugy és a hődióda által befektetett munkát kaphatnánk csak vissza. Nos, lássuk, mit szól ehhez a valóság?

Az alábbiakban egy egyszerűen reprodukálható kísérletet írunk le, amit bárki kipróbálhat, olyan kézzelfogható eszközhöz jutva, amellyel - reményeink szerint - kimutatható a vákuum fluktuáció hatása a makroméretek tartományában is. Az összeállítás egyik fő szereplője - a fenti elméletben megkövetelt mechanikai elrendezése miatt - a hagyományos kereskedelemben is kapható PL509 teljesítmény elektroncső.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ábra. A "PL509 csőfej" bekötése, és az összeállítási rajz

 

Itt kell megemlítenünk, hogy a PL509 elektroncső helyett PL500-as nem felel meg az eltérő mechanikai felépítés miatt! Például PL500-zal is van némi effektus, de csak tört része az 509-as csővel kimutathatónak.

Állítsuk össze az ábra szerint a kapcsolást. Egy szabályozható tápegységre lesz szükségünk, és egy körülbelül 40 Voltos AC vagy DC tápegységre a fűtéshez.

Első látásra szembetűnik, hogy itt az úgynevezett hődióda jelenséggel kell számolnunk. A hődióda úgy dolgozik, hogy a katód által emittált elektronok egy felhőt képeznek az elektróda körül, aminek elemi töltései negatív előjelű feszültségre feltöltik az anódnak nevezett katód-közeli fémlemezt. Az anód negatív potenciálja addig növekszik, amíg annak elektromos tere egyensúlyt nem tart a felhő elektromos terével, azaz leállítja az elektronok anódra jutását. Ekkor az anódlemezen mérhető negatív néhány volt terhelhető és használható, mint áramforrás.
Érdekességként említjük csak itt meg, hogy ezzel a felvázolt diódával hajdanán a régi időkben komolyan kísérleteztek olyan helyeken, ahol izzó lemezek voltak és közvetlen elektromos áramot akartak nyerni azokból.

Miért beszélünk ezekről? Azért, mert szem előtt kell tartani a katód termikus energiájából származó hatásokat, mint kilépési munka fedezése és v0 kezdősebesség előidézése.

De ne menjünk túlzottan elébe a dolgoknak. Végezzünk el néhány mérést az összeállított berendezésünkkel.

  • Az 1 Mohm-os ellenállást vegyük ki, most elég a műszer 10 M ohmos belső ellenállása.

  • A szabályozható feszültséget állítsuk 0-ra

  • Kapcsoljuk be a fűtést

Figyeljük az anód és a föld közé kapcsolt multimétert, amit DC 20 Voltos állásba helyezünk. A hődiódához hasonlóan, a fűtés beállta után mérhető a -2 V körüli feszültség. Mielőtt tovább mennénk, leszögezzük, hogy ez a feszültség az elektromos egyensúlyi állapot beállása utáni érték, és kijelenthetjük, hogy ezt a feszültséget a termikus energia biztosítja, melynek értéke közvetlenül elárulja számunkra a katódból kilépő elektronok átlagos mozgási energiáját - a kilépési energián túl - elektronvolt egységben. Tehát fontos, hogy lássuk: a kilépett elektronok kezdősebessége - energiája - egyensúlyban van a fékező térrel, tehát ez elektronok egy része becsapódik az anódba, mások éppen előtte fékeződtek le teljesen és visszafordulnak vagy megállnak, megint más elektronok már jóval az anód előtt elvesztik mozgási energiájukat, és megállva csatlakoznak a kialakult elektronfelhő elektronjaihoz. Még megjegyzendő, hogy ez az egyensúlyi állapot már kis anód terheléstől felborul, ami érthető, mivel az anód a negatív töltését a legnagyobb energiájú elektronoktól kapja - az egyensúly beállta előtti pillanatban és utána - másképpen szólva, az abszolút terhelésmentes anód esetén a legnagyobb energiájú elektronokról kapunk -az anódfeszültségből- kezdősebességi adatot. Terhelve az anódot, abból töltéseket a földbe juttatva lecsökkentve annak potenciálját egyre több elektron tudja azt elérni, a gyengébbek is, fedezve a terhelő vagy mérő áramot.

  • A szabályozható feszültséget lassan növeljük, és közben figyeljük a műszert.

Figyeljük meg az anód feszültség rohamos növekedését! Körülbelül a vezérlőrács feszültségének a harmadát, esetleg felét kapjuk. Azaz körülbelül +20 Voltos rács esetén az anódon -7 -9 Volt körüli feszültség áll be. Mi a kísérleteinkben +40 Voltot is rákötöttünk, de ekkor már izzásba jött a vezérlőrács a nagyszámú becsapódott elektrontól. A kísérlet eredménye azért furcsa, mert az anód maximum akkora negatív potenciálra töltődhet, amekkora az egyensúlyi állapot, azaz amekkora a katódizzás okozta v0, az elektronok kilépés utáni, kilökődési sebessége.
A kíváncsiságtól hajtva rákötöttünk a vezérlőrácsra nagyobb feszültségeket is. Az anódot már oszcilloszkóppal figyeltük. A nagyfeszültségű pozitív feszültségeket kicsi ideig tartó impulzusokban adva a rácsra, megakadályoztuk annak felizzását, tönkremenetelét. Az anódon kapott feszültségimpulzusok nem csaltak meg, hozták a formát, a pozitív gyorsító rácsfeszültség harmadát garantáltan mérhettem.

A 300 Voltos impulzusok legalább -100 Volt nagyságú impulzusokat adtak az anódon. Sőt, néhány 1000 Voltos impulzust is rákapcsolgatva a várt eredményt adta: -350-500 Voltot. Ezek a kísérletek inkább már csak arra voltak jók, hogy egyértelművé tegyék számunkra, hogy olyan energiájú elektronok vannak jelen, amik nem a fűtésből nyerték energiájukat.

Szerintünk, ha eltekintünk a kezdősebességtől, akkor a valamekkora gyorsítótéren átfutott elektron bejutva egy lassító térrészbe és ugyanakkora potenciálküszöbön átjutva teljesen le kellene, hogy álljon, elveszítve a mozgási energiáját (lásd a cikk elejét). Vagyis ha nagyobb a fékező tér, akkor egy elektronnak sem szabadna elérni a fékező anódlemezt. Ha pedig kezdősebességgel is számolunk, akkor pontosan annyival nagyobb fékező téren tudnak átjutni, amekkora a kezdeti indulási sebességük volt. Azt tanultuk, hogy ha egy elektron áthalad 1 Voltos potenciálgáton, akkor az energiája pontosan 1elektrovolttal változik meg. Ez fordítva is igaz, tehát ha például kilökünk egy fémfelületből egy elektront úgy, hogy kapjon 2 eV mozgási energiát, akkor azt a töltést pontosan 2 Voltos fékező előjelű elektromos térrel lehet megállítani. Ha éppenséggel a fékező kamra úgy van kialakítva, hogy a fékező teret egy sík lemez és az emittáló katód között hozom létre, akkor bizony az előbbi példa elektronja a -2.5 Voltos elektródát nem szabad hogy elérje. Ha ezt megértjük, akkor azt is megértettük, hogy teljesen közömbösnek kellene lennie a jelenség kimenetelére a kamra közepén elhelyezett (vagy egyharmadán, kétharmadán stb.) fémrácsra kötött bármekkora értékű potenciálnak. (Itt feltételezem, hogy a fémrács csak pozitív, továbbá hogy a töltések át tudnak repülni a rácson.)
Miért kellene közömbösnek lenni? Mert amekkora értékkel gyorsít, ugyanolyannal fékez is.

3. ábra

3. ábra

 

A 3. ábrán érzékeltetem az elektron sebességét különböző szituációban.

- A 3a. ábrán A1 = 0 Volt, A2 = 0 Volt, a töltés a kilökődési sebességgel repüli végig a teret. A sebessége végig állandó. A töltés becsapódása az A2-be garantált.

- A 3b. ábrán az A1 = +U, A2 = 0 Volt, a töltés a kilökődési sebességgel indul és gyorsul az A1 eléréséig, majd átrepülve az azon levő furaton folyamatosan lassul. Az A2 fegyverzet közvetlen elérése előtt a sebessége visszaáll az indulási értékre, mert a (K) katód és az A1 közti potenciálgát megegyezik az A1 és A2 közti potenciálgát értékével és így a fékező tér egyenlő az K-A1 gyorsító terével. A töltések az előbbi esettel megegyezően beérkeznek az A2 fegyverzetbe.

- A 3c. ábrán az A1 = az előbbi +U értékével, az A2 = -U. Ez az állapot az, amikor "indokolatlanul" nagy A1-A2 fékező tér ellenére is még becsapódnak a töltések A2-be.

Még egy figyelemre méltó jelenség tapasztalható a fenti PL509-es összeállítás esetén. Ha a rácsra +20 Voltot adunk és a fűtőfeszültséget lassan növeljük nulláról 40 Voltra, az anódáram nem folyamatosan növekszik, hanem lépcsőzetes ugrásokban. Jelenleg az a véleményünk, hogy a fűtőfeszültség növelésével növekvő hőmérséklet sugárzási spektruma a magasabb frekvenciák felé tolódik el. Ez megváltoztatja a jelenség során az anódba beérkező részecskék valószínűségét, és ez állhat talán a tapasztalt jelenség hátterében.

A jelenség kísértetiesen hasonlít az alagút-effektusra. Ezért adtuk a címnek is azt.

Ha a fenti extra energia elérhető valóság, könnyen tervezhető lenne egy speciális elektroncső, melynek katódja és gyorsító elektronoptikája a TV-képcsövekéhez hasonló. Így elkerülhető lenne a gyorsító elektródába csapódó elektronok által okozott káros hőveszteség és esetleges anyagkárosodás, ami a PL509-es cső esetén sajnos óhatatlanul jelentkezik. Az elektronsugarat a Wehnhelt-hengerrel könnyen lehetne szabályozni, és az anóddal pedig egy rezonáns kört lehetne üzemeltetni. Innen transzformálással lehetne a gyorsításhoz és az önszabályzáshoz a nagyobb feszültséget előállítani. Például 20 kV gyorsítás és 100mA katódáram (melyek egyáltalán nem elérhetetlenek) jelentős teljesítményt szolgáltathatnának.


Budapest, 2004. október 9.

 


 

Fejlemények azóta


Azóta, hogy a fenti cikk elkészült V. Feri barátom elvégzett pár kísérletet.

Egy működőképes monitorképcsövet használt fel, hogy a jelenséget tisztábban tanulmányozhassa, mivel a korábban alkalmazott PL509-es csőben a rács izzott a becsapódó elektronoktól, ami nagyon zavaró volt. Erről írásának vége felé is olvashatunk.

Tehát Feri fűtést adott a képcsőnek és a csőnyakban amúgy gyárilag is adott elektródákra megfelelő polaritású és nagyságú feszültségeket kapcsolt. Nem volt benne anódként használható fémfelület (a képernyő mögött). Így Feri egy mágnessel eltérítette az elektronsugarat úgy, hogy az egy szabad elektródába csapódjon. Elmondása szerint nem tapasztalt extra teljesítményt. Mindazonáltal nem zárta ki, hogy  egy megfelelőbb kísérleti elrendezéssel más eredmény kapható.

Feri gyanúja szerint a PL509-es csőben más jelenség volt felelős az általa és általunk is megfigyelt hatásért. Egy fizikakönyvben olvasott arról, hogy ha széles elektronsugár (folyam szerű) eléggé gyors elektronokból áll és a folyam útjába (arra merőlegesen) egy pozitívan töltött fémszálat helyezünk, az elektronsugár a fémszálat kétfelől megkerülve amögött találkozva interferál. Interferencia esetén viszont más hatások is beleszólnak a folyamatba, így állhatott elő (talán) a különös jelenség.

 

Budapest, 2010. augusztus 18.

Attachments:
Download this file (Alagut effektus makro meretekben II.pdf)Alagut effektus makro meretekben II.pdf[V. Feri barátom által írt folytatás a cikkünkhöz.]0 Kb
Módosítás dátuma: 2012. október 03. szerda, 06:55
 

bottom
top

Olvasóink

Oldalainkat 38 vendég böngészi

A legújabbak

A legnépszerűbbek


bottom