E cikkemben egy közismert és sok területen használt hatás érdekes alkalmazásairól ejtek szót.

Elektrotechnikailag képzett körökben ki ne ismerné a Volta-féle kísérletet és a termoelektromos effektust? Elég sima felületű réz (Cu) és cink (Zn) lemezeket, a rájuk erősített szigetelőanyagból készült nyelénél fogva szorosan összeérintünk, majd gyors mozdulattal széthúzzuk egymástól. A lemezekre kapcsolt elektrométer feszültséget jelez. Két fém érintkezésekor az egyiknek pozitív, a másiknak negatív lesz ez eredő (relatív) töltése. Ezt a kísérletet mindenféle fémmet párosítva egymáshoz el tudjuk végezni. Ez nagyon hasonlít az elektromos alapjelenségek körében tapasztalt megosztás jelenségéhez.

Ennek egyik magyarázata a következő: A különböző fémek vezetési elektronjainak potenciális energia szintje egymástól különbözik. Szoros érintkezésekor, a köztük levő feszültség miatt nagyobb valószínűséggel áramlanak elektronok át az egyik fémről a másikra mint az ellenkező irányba, aminek következtében az egyik fémben elektron többlet, a másikban pedig elektron hiány lesz. A fémeket és a fémekhez hasonló viselkedésű vezetőket, az azonos feltételek mellett tapasztalt érintkezési feszültségek nagyságai alapján Volta-féle feszültségi sorba lehet rendezni, ami kimérhető. A jelenség során két fém érintkezésekor annak lesz pozitív töltése, amelyik a Volta-féle feszültségi sorban megelőzi a másikat. Az ezzel kapcsolatos másik fogalom a termofeszültség és az azt szolgáltató "termoelem" hatás.
Ha összeforrasztunk réz (Cu) és cink (Zn) huzalokat az egyik végüknél és a két szabad végre érzékeny - mV tartományú - feszültségmérőt csatlakoztatunk, azt tapasztaljuk, hogy ha változtatjuk a forrasztási pont hőmérsékletét, változni fog a mért egyenfeszültség is. Ekkor szintén a Volta-féle feszültség hatását tapasztaljuk. A két fém érintkezése során, az egyiken kialakult elektron többletet, a másikon pedig az elektron hiányt a hőmozgás befolyásolja, mivel megnöveli az elektronáramlások különbségének valószínűségét, a két végpont között megjelenő feszültség az alábbi módon arányos a hőmérséklet-különbséggel:

UTermo = a * DT

ahol:

• UTermo - a keletkező termo-feszültség

• a - a termoelemet alkotó anyagoktól függő tényező

• DT - a forrasztási pont és a műszervezetéknek a termoelemhez csatlakozó pontja közt mérhető hőmérséklet különbség

A lineáris közelítés szűk hőmérséklet-tartományban illetve kisebb pontossági igények esetén alkalmazható. Szélesebb hőmérsékleti intervallumban további állandók bevezetése szükséges. E jelenséget hasznosító eszközt, mint hőmérőt, széles hőmérséklet tartományban (100 - 1000 °C) alkalmazza az ipar és a háztartás.

Nagyjából ennyi, amit az iskolákban tanítanak a dologról. Van, ahol szebben fogalmaznak, és azt mondják, hogy a fémek kilépési munkáinak (Fermi szintek) különbsége felelős e feszültségért.

Ez persze függ az anyagok rácsszerkezetétől, valamint azok hőmérsékletétől, ami végső soron, szintén a rácsszerkezettel összefüggő dolog. Pontosan megmérni ezt a feszültséget nem egyszerű dolog. Hogy miért nem? A figyelmes olvasóm biztosan észrevette már, hogy a termo-feszültség normál körülmények közt néhány millivolt. A Volta-feszültség pedig gyakran a voltok tartományába esik. Ez a nagy nagyságrendi eltérés azért van, mert a termoelemen létrejövő, voltos nagyságrendű feszültséget hagyományos módon egyenáramú feszültségmérővel nem mérhetjük meg, mivel a műszer csatlakozási pontjánál szintén keletkezik egy ellenkező előjelű Volta-potenciál. Amit mérhetünk ezért, az nem maga a Volta-potenciál, hanem csak a hőmérséklet-különbség hatására jelentkező feszültségkülönbség. Az alábbiakban leírok egy sikeres és szinte tetszőlegesen pontos (!) mérési eljárást, amivel mégis sikerülhet a Volta-feszültséget meghatározni.

Képzeletbeli Volta-feszültségforrásunk álljon cinkből (Zn) és rézből (Cu). Nézzük az alábbi 1. ábrát!

1. ábra

Itt egy olyan alkalmasan összeállított kondenzátor látható, aminél a fegyverzetek különböző anyagok, és mivel azok csak a forrasztási pontnál érnek össze, ezért köztük a forrasztásnál képződő Volta-feszültség hatására elektromos térerő jön létre. A kondenzátor fegyverzeteiben tárolt elektromos tér energiája ekkor:

E = 0,5 * C * U²

ahol:

• C - a kapacitás

• U - a Volta-feszültség

Csábító ez az energia, nem? Kár, hogy hagyományosan, vezetékekkel (úgy, ahogyan egy hagyományos kondenzátort kisüthetünk) ez a kondenzátor a fentebb már említett sajnálatos ellenirányú kioltó potenciálok miatt nem süthető ki! Hasonló érzésem van ezért, ezzel kapcsolatban, mint a Casimir erővel kapcsolatban. De ne csüggedjünk, folytassuk a kísérletezést! Forrasszunk be a réz oldalra egy olyan feszültségű feszültségforrást, melynek feszültsége pontosan kioltja a forrasztási pontban keletkező Volta-feszültség hatását! Ekkor a kondenzátorban tárolt energia nulla, mert a fegyverzetek közti elektromos térerő is nulla! De honnan tudhatjuk, hogy milyen feszültségforrást iktassunk be, ha egyszer pont azt a Volta-feszültséget akarjuk meghatározni, amit ki kellene kompenzálnunk? Kedves olvasóm biztosan már rá is jött a megoldásra! Változtassuk ciklikusan a beiktatott telep feszültségét - egyelőre csak gondolatban - mondjuk -10 volttól +10 voltig, és ahol a kondenzátor fegyverzetei közt megszűnik a térerő, annál a feszültségnél van a Volta-feszültség (csak ellenkező előjellel)! Hogy honnan tudjuk meg, mikor nulla a térerő? Hát ciklikusan távolítsuk és közelítsük - rezgessük - a kondenzátor fegyverzeteit. Amikor az eltolási áram nulla, akkor nulla a térerő is! Hogy milyen gyorsan mozgassuk a fegyverzeteket? Olyan gyorsan, hogy a számunkra kívánatos pontossággal mérhessük az eltolási áram nagyságát. És persze a feszültségforrásunk feszültségét is olyan megfelelő, lassú ütemben változtatgassuk, hogy a kívánatos pontosságot elérhessük. Nyilvánvaló, hogy a fegyverzeteket sokkal nagyobb frekvenciával kell rezgetnünk, mint amilyennel a feszültséggenerátort szabályozzuk (rezgetjük).

Amikor nem iktatunk be az áramkörbe volta-feszültséget kioltó generátort, hanem csak a felemás kondenzátort rezgetjük (mechanikailag), akkor a közeledések és eltávolodások ütemében a felemás kondenzátoron váltakozó feszültséget mérhetünk a kondenzátorban tárolt Volta-potenciál miatt. Amikor rákapcsolunk az áramkörre egy megfelelő feszültségű kioltó feszültségforrást, akkor az imént látott szinuszos jel megszűnik. Ha alacsony frekvenciás generátort csatlakoztatunk kioltó feszültségforrásnak, akkor azt látjuk, hogy a felemás kondenzátoron mért rezgő feszültség amplitúdója időnként nulla lesz. Amikor ez a jel nulla, abban a pillanatban lép fel a megfelelő nagyságú kioltó feszültség. Ezt megmérve kapjuk a Volta-feszültség -1-szeresét. Egy Arduinoval remekül elvégezhető a rezgések létrehozása és a mérés.

A mérés gyakorlatilag úgy zajlik, hogy a vizsgálandó (pl. vas), letisztított, sík felületre ráfordítjuk a hangszórót (a réz-fegyverzettel a felület felé) és a készülék mérő/tapintó csúcsát pedig hozzáérintjük a mérendő felülethez. Ez utóbbi jelenti az ábrán Forrasztás néven nevezett pontot. Nyilván nem kell forrasztani, csak elektromos szempontból megbízhatóan hozzáérinteni a mérő vezetéket...

A mérés pontossága néhány dologtól nagyon függ. Az egyik a Volta-potenciált keltő kontaktus tisztasága és jó érintkezése. A másik pedig a felemás kondenzátor tisztasága. Ha a fegyverzetek egymás felé néző felületei szennyezettek, teljesen hamis eredményt is mérhetünk! A felemás kondenzátor fegyverzeteit elvileg bevonhatjuk valami megfelelő, korróziótól védő bevonattal. De számos lakk Poliakril alapú, és ha véletlenül megdörzsölődik, többszáz voltos kamu "Volta-potenciált" is mérhetünk! :-( Aranyozás lehet a jó megoldás. A mérés pontosságát a kioltó feszültséggenerátor és a hangszóró rezgés frekvenciáinak aránya is jelentősen befolyásolja. A hangszóró rezonanciáját érdemes megmérni (a kondenzátor fegyverzet rászerelése után) és azon a frekvencián rezgetni a mérések során. Ez általában néhány kHz. Ha ekkor a mérendő Volta-potenciál mértéke például 4 voltos és a hangszóró 1kHz-cel rezeg, akkor a kioltó frekvencia 1Hz-es üteme esetén a pontosság kb. 4mV. Ebből is látni, hogy lehetőleg magasabb hangszórófrekvenciát érdemes választani.

Persze van egy másik (analóg) mérési módszer is, ha egy PLL áramkör (CD4046) oszcillátorát rezgetjük, és azzal vezéreljük - elektromechanikusan - a fegyverzetek mozgását is. A hurok szabályzó kör feszültségét használjuk fel a Volta-feszültség kioltására is - a szabályzás mellett! Amikor a fázis 0-ról 180 fokra vált, abban a "pillanatban" a szabályzó feszültség a Volta feszültséggel arányos abszolút értékben! Méretezési részletekbe itt nem megyek bele, mivel ez sok szakirodalomban fellelhető.

Mi a kondenzátor rezgetéséhez kis, 250 mW-os hangszóró papírmembránjára ragasztott NyÁK-lemez darabot használtunk. Ez kb. 25pF kapacitást jelentett. Ezért zajmentes és nagy impedanciás mérésre van szükség a sikerhez. A rezgés során a két felület, vagyis a kondenzátor fegyverzetek közt kialakuló légpárna előnyösen megakadályozta a fegyverzetek összeérintkezését, és ezért eléggé nagy jelet kaphattunk. A rezgés amplitúdóját szabályozva, kis gyakorlás után, füllel hallható volt a helyes beállítás. Ez a módszer ipari mérőkészülék működésének is alapját képezhetné.

A kondenzátor hangolására a mechanikus rezgetés helyett a Varicap-dióda, mint feszültségvezérelt kondenzátor szerintem sajnos nem jó megoldás, mert a dióda "nem látja" azt a térerőt, aminek a változtatgatását pont tőle várnánk. Ez tényleg nagy kár!

Egy ilyen mérőkészüléket az anyagvizsgálatok során is lehetne használni. Fermi-szintje minden anyagnak van, még a szigetelőknek is. Ha a rezgetett kondenzátor fegyverzetei közé műanyag szigetelőt helyezünk, gyakran azt tapasztalhatjuk, hogy a Volta-potenciál változik. A másik kezdetben fellelkesítő kudarcot akkor élhetjük át, amikor a mért kompenzáló feszültség több száz voltra (!) adódik. Ez azért van, mert a műanyag dörzsölés hatására elektrosztatikusan feltöltődhet, és a térereje - becsapva minket - hozzáadódhat a kondenzátor térerejéhez. Ugyanígy megváltoztathatja a térerőt a kondenzátor fegyverzetein lévő szennyeződés és oxidáció, amire szintén gondosan figyelni kell!

Mint már említettem, minden anyagnál értelmezhető a Fermi-szint. Az előbb ismertetett műszer a forrasztási pontban keletkező Volta-feszültséget méri. A mérés akkor is helyes, ha nem forrasztjuk a mért pontot, hanem csak egy hegyes tapintó elektródát használunk odaérintve azt a mérendő felülethez. Gyanítom, hogy érdekes eredményeket kapnánk, ha a műszerrel élőlények pl. növények, emberek felületét vizsgálnánk át. Tudtommal ilyet még senki nem csinált.

Néhány éve az egyik TV-csatornán láttam egy kis készüléket, melyet dr. Egely György mutatott be. Egy felemás kondenzátor volt benne és egy ahhoz csatlakozó kis áramkör. A készülékben időnként felvillant egy LED.  A szerkezet rövid ismertetője e cikk alján tölthető le és olvasható el (azt nem én írtam, hanem vélhetően Egely György).

1992-ben foglalkoztunk először a fenti témával Magyar Tamás barátommal együtt. Aztán úgy alakult, hogy az Egely György által koordinált kis laborban dolgozhattunk néhány évet.  Akkoriban mutattam Györgynek is az itt ismertetett eredményeinket. De már akkoriban kiderült a számunkra, hogy túl sok energia ezzel az elvvel nem nyerhető. Meglepett, hogy sok évre rá viszont láttam az ötletünket. Feltehetőleg Szamosközi úrral egy időben találtuk ki a felemás kondenzátort...

Véleményemet a készülék csekélyke hatásfokáról ma is fenntartom. Azt is elárulom, hogy miért.

A tegyük fel, hogy a felemás kondenzátor kezdetben fel van töltve az alkotó anyagok által meghatározott (Volta potenciál) feszültségre. Ezt a töltést egyetlen egyszer süthetjük ki, ahogyan már korábban leírtam.  A kisütés során átrendeződő töltéseloszlás és a felemás kondenzátor térerői kioltják egymást és kifelé az eredőjük zérus lesz.

Ahhoz, hogy a kondenzátort ismét kisüthessük, a töltéseket valahogyan az eredeti (kiindulási) állapotba kell visszajuttatnunk és lehetőleg kevesebb munkával, mint amekkorát a kisütés során nyertünk. Ez lenne tehát a folyamatos "energiatermelés" receptje.

Sajnos az energiamérleg mindig 100%. Némi eredményt érhetünk el, ha a kondenzátor két fegyverzete közé töltéshordozókat (célszerűen talán ionizált levegőt) juttatunk. Ekkor a  töltéshordozók rekombinálódnak a kondenzátor fegyverzetein lapuló töltésekkel, így a rendszer egyre inkább visszaáll a kiinduló állapotba. Ionizált molekulák a szabad levegőn mindig jelen vannak. Részben a napból érkező sugárzások, részben a kozmoszból érkező egyéb sugarak és végül, de nem utolsósorban a földi anyagok rádióaktivitása miatt.  Ehhez jön még a viharok és a szél keltette töltések is. Azt, hogy a regeneráció mennyi idő alatt megy végbe, az ionizált részecskék mennyisége és azok utánpótlása határozza meg.

Töltéshordozók félvezető átmeneteken is keletkezhetnek elektromágneses, vagy egyéb sugárzások hatására. Szamosközi úr ezt használhatta ki.

Úgy gondolom, ez az említett készülék titka. A hatásfok kissé javítható, ha a két fegyverzet közé enyhén Rádióaktív anyagot kenünk segítve, hogy mindig jelen legyen megfelelő mennyiségű töltéshordozó. Ekkor egy gyenge hatékonyságú nukleáris áramforrást nyerhetünk. Manapság a félvezetősek sokkal jobbak és az energiasűrűségük is lényegesen nagyobb... A Voyager űrszondán több évtizede működik ilyen energiaellátó egység.

A készülék áramköre a megfelelő regenerációs szint elérésekor rákapcsolja a LED-et a felemás kondenzátorra és az egy szempillantás alatt kisül. A LED lekapcsolódik a kondenzátorról lehetővé téve a regenerációt. A folyamat mindaddig ciklikusan végbemegy, amíg a regeneráció feltételei adottak.

Ez a készülék elláthat energiával olyan áramköröket, melyek áramfelvétele parányi. De csupán ettől a megoldástól sokkal többet nem várhatunk.

Budapest, 2010. augusztus 18.

Attachments:

Sarkadi cikk.pdf

[Sarkadi úr cikke]

31 kB