Ανδρέας Κασσέτας: Η έννοια ΗΛΕΚΤΡΕΓΕΡΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ

του Ανδρέα Κασσέτα από το Υλικό Φυσικής Χημείας

1. Προβλήματα γλώσσας.

Μια «δύναμη» που δεν είναι δύναμη.

Η εποχή της Χημείας.

2. Βατραχοπόδαρα στη Μπολόνια.

Υπάρχει και άλλος ηλεκτρισμός.

3. Αλεσάντρο Βόλτα. Γαλβανικός ηλεκτρισμός

4. Η γλώσσα. Η λέξη «μπαταρία»

5 Γαλβανικό στοιχείο.

6. Μονάδα μέτρησης της ηλεκτρεγερτικής δύναμης

7. Ηλεκτρεγερτική δύναμη από λεμόνι

8. Στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Διαφορά δυναμικού και ηλεκτρεγερτική δύναμη

Η εποχή του ηλεκτρομαγνητισμού.

9. Ηλεκτρεγερτική δύναμη κατά την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.

10. Βολτ, περισσότερα βολτ. Ο Χάινριχ Ρούμκορφ.

11. Ηλεκτρικός μοχλός.

12. Πηνίο Tesla. Εκατοντάδες χιλιάδες βολτ.

«Εκείνη» και οι άλλες έννοιες.

13. Ηλεκτρεγερτική δύναμη. Ορισμός με βάση τη μετρούμενη τάση και ορισμός με βάση την έννοια ενέργεια.

14. Ηλεκτρεγερτική δύναμη και ένταση ηλεκτρικού πεδίου. O μαθηματικός φορμαλισμός.

15. Μπαταρία επαναφορτιζόμενη. Μπαταρίες στον 21ο αιώνα. Πόσο ζει μια μπαταρία ;

16. Το εννοιακό δίκτυο.

1. Η γλώσσα . Μια «δύναμη» που δεν είναι δύναμη.

Το αγγλικό electromotive force – σε γλώσσα γαλλική “force elecromotrice ”, στην ελληνική αποδόθηκε με το «ηλεκτρεγερτική δύναμη» - κάνει την εμφάνισή του τον 19ο αιώνα, πριν από την οικοδόμηση της θερμοδυναμικής σε μια εποχή που η έννοια ενέργεια δεν έχει εδραιωθεί, σε μια εποχή που στη γλώσσα της φυσικής το «ενέργεια» είναι ακόμα κάτι σαν «δύναμη»1.
Είναι μια εποχή που η ανακάλυψη της στήλης του Βόλτα έχει ανοίξει διαδρόμους στις αναζητήσεις των ερευνητών και η επιστήμη έχει ανάγκη από καινούριες λέξεις. Με σημερινούς όρους μια «δωδεκάβολτη» μπαταρία αυτοκινήτου έχει ηλεκτρεγερτική δύναμη 12 βολτ, ενώ η μπαταρία στο σχολικό εργαστήριο έχει ηλεκτρεγερτική δύναμη 4,5 βολτ.
Γύρω στα 1830 ο Michael Faraday θα υποστηρίξει ότι οι χημικές αντιδράσεις στις επιφάνειες και των δύο πόλων της στήλης ευθύνονται για το γεγονός ότι κάθε βολταϊκή στήλη γίνεται έδρα ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Ο ίδιος μερικά χρόνια λίγα χρόνια αργότερα θα υποστηρίξει ότι ένα μεταλλικό πλαίσιο όταν βρεθεί σε μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο γίνεται πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Η περιγραφή του φαινομένου ηλεκτρομαγνητική επαγωγή θα στηριχτεί γλωσσικά πάνω στην electromotive force. Η έννοια θα μπορεί να περιγράφει τόσο τις δυνατότητες κάθε ηλεκτροχημικού στοιχείου όσο και εκείνες της οποιασδήποτε δυναμογεννήτριας.

Μπορούμε δηλαδή να διακρίνουμε ότι η οικοδόμηση της έννοιας υλοποιήθηκε σε δύο εποχές:

α. σε μία πρώτη φάση στην οποία η δυνατότητα για ηλεκτρικό ρεύμα- γαλβανικό- προκύπτει από χημικά φαινόμενα

β. σε μία εποχή που η παραγωγή ηλεκτρικών ρευμάτων λαμβάνει χώρα μέσα από διαδικασίες ηλεκτρομαγνητισμού.

Την ίδια περίπου εποχή - του ηλεκτρομαγνητισμού- η εμφάνιση της θερμοδυναμικής θα προσφέρει στους ερευνητές τον τελικό συσχετισμό της ηλεκτρεγερτικής δύναμης με την έννοια ενέργεια. Κάτι παρόμοιο συνέβη και με την έννοια θερμότητα.Μετά την θεμελίωση της θερμοδυναμικής και μολονότι αποσαφηνίστηκε η εννοιακή διαφορά ανάμεσα σε δύναμη και ενέργεια, η συγκεκριμένη έννοια - που περιγράφει τις δυνατότητες μιας μπαταρίας αλλά και ενός δυναμό - μολονότι δεν έχει κάποια σχέση με τη νευτωνική έννοια δύναμη αλλά σχετίζεται με την έννοια ενέργεια θα συνεχίσει, αδρανειακά το ταξίδι της, επί δύο περίπου αιώνες, μέσα στις περισσότερες γλώσσες με το αρχικό της ένδυμα το οποίο παραπέμπει σε «δύναμη».Για μία ακόμα φορά, η γλωσσική παράδοση αποδεικνύεται ισχυρότερη από την εμφάνιση της αντίφασης ανάμεσα στη γλώσσα και στις θεωρήσεις της Φυσικής του σήμερα.

Η εποχή της Χημείας

2. Βατραχοπόδαρα στη Μπολόνια. Υπάρχει και «άλλος» ηλεκτρισμός. Μέχρι και τα τέλη του 18ου αιώνα ο ηλεκτρισμός είναι «ένας», είναι αυτός που παράγεται με τριβή, μπορεί να προκαλεί ακόμα και σπινθήρες και η φιάλη Λέιντεν - ο πρώτος πυκνωτής- είναι η καλύτερη πρόταση για την αποθήκευσή του .

Τελευταία δεκαετία του 18ου αιώνα και η παρέμβαση δύο Ιταλών θα χαράξει καινούρια μονοπάτια στις ανθρώπινες αναζητήσεις πάνω στο ίδιο ζήτημα .Στη Μπολόνια της Ιταλίας ο ανατόμος Luigi Galvani – Λουίτζι Γκαλβάνι - θα επιχειρήσει να ερευνήσει, με ηλεκτρισμό τριβής, τους ιστούς νεκρού βάτραχου, και διοχετεύοντας ηλεκτρικό φορτίο - είτε από ηλεκτροστατική μηχανή είτε από φιάλη Λέιντεν- θα παρατηρήσει ότι , μολονότι ο βάτραχος ήταν νεκρός, ο ιστός του παρουσίαζε κάποια διέγερση. Στη συνέχεια αγγίζοντας τα τεμαχισμένα βατραχοπόδαρα με ηλεκτρικά φορτισμένο μέταλλο θα διαπιστώσει μυϊκή συστολή και τέλος σε μια επόμενη σειρά πειραμάτων θα ανακαλύψει ότι αγγίζοντας απλώς τους ιστούς με δύο διαφορετικά μέταλλα, χωρίς να διοχετεύει ηλεκτρικό φορτίο, συνέβαινε μυϊκή συστολή. Έχοντας κρεμάσει τον τεμαχισμένο βάτραχο από έναν γάντζο ορειχάλκινο άγγιζε το πόδι με το σιδερένιο νυστέρι του και κάθε φορά διαπίστωνε ότι ο ιστός παρουσίαζε συστροφή .
Η θεωρητική του άποψη ήταν ότι εκτός από τον ηλεκτρισμό με τριβή - ο οποίος παράγεται με ηλεκτροστατική μηχανή και προσφέρεται ιδιαίτερα με την εκφόρτιση μιας φιάλη Λέιντεν - υπήρχε και ένας άλλος ηλεκτρισμός «ζωικός ηλεκτρισμός» μέσα στους ιστούς των ζώων. Οι θεωρητικές του προσεγγίσεις δεν έγιναν αποδεκτές αλλά δύο καινοτόμες ιδέες είχαν κάνει την εμφάνισή τους. Η πρώτη για κάποιον ηλεκτρισμό κρυμμένο στους ζωντανούς οργανισμούς και η δεύτερη για παραγωγή ηλεκτρισμού μέσα από χημικές διεργασίες.

3. Alessandro Βόλτα. Η μπαταρία. Τα «ευλογημένα» βολτ.

Λίγα χρόνια αργότερα, στη δύση του 18ου αιώνα, ένας ακόμα Ιταλός αλλά αυτός από το Κόμο, τότε καθηγητής φυσικής στο πανεπιστήμιο της Παβία , μολονότι διαφωνεί με τις θεωρήσεις του Γκαλβάνι για «ζωικό ηλεκτρισμό», θα αρχίσει να αναζητεί παραγωγή ηλεκτρισμού μέσα από διεργασίες χημικές. Ήταν ο Αλεσάντρο Βόλτα.

Η κεντρική ιδέα, καταγόμενη από τις εμπειρίες του Γκαλβάνι ήταν ότι «μέταλλο, χαρτί μουσκεμένο σε αλατόνερο και άλλο μέταλλο διαφορετικό» τοποθετημένα στη συγκεκριμένη σειρά θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ηλεκτρική τάση. Κινούμενος πάνω στην ιδέα αυτή θα δημιουργήσει το ηλεκτρικό στοιχείο, με δίσκους χαλκού και ψευδαργύρου ανάμεσά τους χαρτί μουσκεμένο σε αλατόνερο για να τοποθετήσει πάνω τους σε επαφή και άλλα ηλεκτρικά στοιχεία με τη σειρά χαλκός- χαρτί – ψευδάργυρος και να δημιουργήσει μια στήλη. Ο χάλκινος δίσκος του πρώτου στοιχείου και ο δίσκος από ψευδάργυρο του τελευταίου ήταν οι δύο «πόλοι» Αργότερα θα δοκιμάσει με επιτυχία και με « ψευδάργυρο, χαρτί με αλατόνερο , άργυρο».

Στην έκθεσή του γράφει : ... "τα δύο ελάσματα πόλοι συμπεριφέρονται σαν αγωγοί ελαφρά φορτισμένοι που δρουν με τέτοιο τρόπο ώστε ύστερα από κάθε εκφόρτιση το ηλεκτρικό φορτίο τους να αποκαθίσταται μόνο του.".Σε αυτό ακριβώς διέφεραν από τους αγωγούς- οπλισμούς ενός φορτισμένου πυκνωτή.
Η καινούρια ανακάλυψη – βολταϊκή στήλη – με τους δύο πόλους, θα προσφέρει για πρώτη φορά στους ερευνητές συνεχή ηλεκτρική τάση – θα προσφέρει «βολτ» - που σημαίνει «προϋπόθεση για άφθονο γαλβανικό ηλεκτρικό ρεύμα εφόσον εφαρμοστεί σε αγωγούς» αλλά και δυνατότητα για άμεση φόρτιση μιας φιάλης Λέιντεν, -ενός πυκνωτή- με την επαφή κάθε πόλου της στήλης ή ακόμα καλύτερα μιας συστοιχίας από στήλες, σε καθένα από τα ελάσματα.

Η νέα συσκευή θα προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα της αυγής του 19ου αιώνα. Τον Νοέμβριο του 1800 προσκεκλημένος στο Παρίσι, ο Αλεσάντρο Βόλτα, εκτελεί πειράματα με την ηλεκτρική στήλη παρουσία του Αυτοκράτορα. O Ναπολέων παραγγέλνει να κατασκευαστεί μια μεγάλη συστοιχία ( γαλλικά batterie, ελληνικά μπαταρία ) από 600 στήλες την οποία προσφέρει στην Πολυτεχνική Σχολή.
Η εμφάνιση της στήλης του Βόλτα θα φέρει στην επιφάνεια, ιδέες για καινούργιες έρευνες. Η επίδραση της στην νεογέννητη Χημεία ήταν απρόβλεπτη. Ένα από τα πρώτα εγχειρήματα των Άγγλων χημικών ήταν η δράση της στήλης σε νερό και ένα άγνωστο μέχρι τότε φαινόμενο έρχεται στο φως, διάσπαση του νερού, δημιουργία υδρογόνου και οξυγόνου. Ο Άγγλος HumphryDavy - Χάμφρι Ντέηβι- , ο σημαντικότερος ίσως χημικός της γενιάς του, θα την αξιοποιήσει ανοίγοντας νέους δρόμους στη Χημεία. Μια πανίσχυρη μπαταρία με 250 στοιχεία Volta, σε λιωμένη καυστική ποτάσα, «ηλεκτρόλυση» και . . ένα καινούριο στοιχείο, το κάλιο. Η ίδια μπαταρία σε καυστική σόδα, «ηλεκτρόλυση» και . . . ένα καινούριο στοιχείο, το νάτριο. Κατά τα επόμενα χρόνια, αξιοποιώντας αδιάκοπα το ίδιο φαινόμενο ηλεκτρόλυση, θα εμπλουτίσει τον πίνακα των γνωστών μέχρι τότε χημικών στοιχείων με το ασβέστιο, το βάριο, το μαγνήσιο και το βόριο.
Καινούργια χημικά στοιχεία αλλά και ένα καινούργιο φαινόμενο. Δύο μεταλλικά ελάσματα βυθισμένα σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου, η σύνδεσή τους με τους πόλους μιας μπαταρίας και το καινούργιο φαινόμενο θα εκδηλωθεί. Στα βήματα του δασκάλου του Χένρι Ντέηβι, ο Michael Faraday, θα "σκύψει" στο καινούριο φαινόμενο, θα το ερευνήσει, θα του δώσει και όνομα, θα το πει Electrolysis. .

4. Η γλώσσα. Η λέξη «μπαταρία» 
Το 1749 ο Benjamin Franklin χρησιμοποίησε τον αγγλικό όρο battery για να περιγράψει ένα σύνολο συνδεδεμένων πυκνωτών που χρησιμοποιούσε σε πειράματα. Το σύστημα μπορούσε να φορτίζεται με ηλεκτροστατική μηχανή και να εκφορτίζεται με ένα μεταλλικό αγωγό σε επαφή με τα δύο άκρα. Μετά την ανακάλυψη της βολταϊκής στήλης, μια συστοιχία από στήλες θα πάει το όνομα γαλλικά batterie, αγγλικά battery, στην ελληνική απόδοση μπαταρία. Η λέξη όμως θα κυριαρχήσει έτσι ώστε στην εποχή μας ακόμα και ένα απλό ηλεκτροχημικό στοιχείο να λέγεται μπαταρία.

5. Γαλβανικό στοιχείο.
Μέσα από τον δρόμο που είχε ανοιχτεί από την ιδέα του Luigi Galvani ότι εκτός από τον ηλεκτρισμό με τριβή, υπήρχε ένας «άλλος» «γαλβανικός» ηλεκτρισμός που μπορούσε να προκύψει μέσα από χημικές διεργασίες, μέσα από την πρώτη υλοποίησή της από τη στήλη του Alessandro Volta και τις δραστηριότητες των χημικών, οι ερευνητές της επόμενης γενιάς επινόησαν και κατασκεύασαν τα λεγόμενα «γαλβανικά στοιχείa» - στην αγγλική γλώσσα galvanic cells - τα οποία, όπως και η αρχική βολταϊκή στήλη, μπορούσαν να προσφέρουν ηλεκτρεγερτική δύναμη, δυνατότητα για ηλεκτρικό – γαλβανικό- ρεύμα.

Το 1836 ο Άγγλος John Frederic Daniell θα επινοήσει έναν τρόπο να περιορίζει τη δημιουργία φυσαλίδων υδρογόνου στα ηλεκτροχημικά στοιχεία και θα κατασκευάσει ένα καινούργιο ηλεκτροχημικό – γαλβανικό- στοιχείο πολύ πιο ισχυρό από τη στήλη Volta. Το ηλεκτροχημικό «στοιχείο Daniell» εμφάνιζεηλεκτρεγερτική δύναμη η οποία θα αξιοποιηθεί για να λειτουργήσει και ο ηλεκτρικός τηλέγραφος, ανακάλυψη της εποχής.

6. Μονάδα μέτρησης της ηλεκτρεγερτικής δύναμης.
Πολλά χρόνια αργότερα, το 1881, στο Exposition internationale d'Électricité- τη Διεθνή έκθεση για τον Ηλεκτρισμό – στο Παρίσι η ηλεκτρεγερτική δύναμη ενός στοιχείου Daniell θα επηρεάσει τον ορισμό της παγκόσμιας μονάδας μέτρησης της ηλεκτρεγερτικής δύναμης αλλά και της ηλεκτρικής τάσης – διαφοράς δυναμικού. Στη μονάδα θα δοθεί το όνομα ”1 Volt” προς τιμή του Alessandro Volta. Στην αρχική πρόταση το 1 Volt θεωρήθηκε ίσο με την ηλεκτρεγερτική δύναμη ενός στοιχείου Daniell. Στην εποχή μας το ένα βολτ παραμένει μονάδα μέτρησης της ηλεκτρεγερτικής δύναμης στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων – System International - αλλά με διαφορετική πρόταση για τον ορισμό του

7. Ηλεκτρεγερτική δύναμη από λεμόνι. 
Η διατύπωση που θα κυριαρχήσει μετά από πρόταση του Michael Faraday, γύρω στα 1830, είναι « κάθε ηλεκτροχημικό στοιχείο γίνεται πηγή – έδρα – ηλεκτρεγερτικής δύναμης». Η εμπειρία τελικά δίδασκε ότι το σύστημα «μεταλλικό αντικείμενο, ηλεκτρολύτης, αντικείμενο από άλλο μέταλλο» ήταν το «μυστικό». Θα μπορούσε να γίνει έδρα ηλεκτρεγερτικής δύναμης, θα μπορούσε να προσφέρει βολτ. Δύο λάμες από διαφορετικό μέταλλο και ένα λεμόνι στον ρόλο του ηλεκτρολύτη ήταν ένα σύστημα που μπορούσε να προσφέρει «βολτ». Και αντί για λεμόνι θα μπορούσε να είναι τομάτα, πατάτα, μήλο . . .

8. Η έννοια ηλεκτρεγερτική δύναμη στο κύκλωμα .
 Πρόκειται να συναρμολογήσει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα με μπαταρία, αγωγούς - αντιστάτες και όργανο μέτρησης της έντασης του ρεύματος και θέτει το ερώτημα:

« Πώς θα μπορούσε κανείς να προβλέψει την τιμή του ρεύματος που θα δείξει το αμπερόμετρο ; »

Εφόσον η εποπτεία του περιορίζεται σε ένα μόνο τμήμα κάποιου κυκλώματος με πηγή και αντιστάτες και όχι στο σύνολό του, θεωρείται ότι η τιμή του ρεύματος καθορίζεται από τη διαφορά δυναμικού – τάση- στα άκρα του τμήματος και από τη συνολική αντίσταση των αντιστατών.

Εάν όμως έχει την εποπτεία του κυκλώματος στο σύνολό του θεωρεί ότι η τιμή του ρεύματος καθορίζεται από τηνηλεκτρεγερτική δύναμη του κυκλώματος και από τη συνολική αντίσταση των αντιστατών συμπεριλαμβανομένης και της εσωτερικής αντίστασης της πηγής.

Ηλεκτρεγερτική δύναμη και διαφορά δυναμικού . Η διαφορά δυναμικού και η ηλεκτρεγερτική δύναμη έχουν την ίδια μονάδα μέτρησης Από κει και πέρα όμως η διαφορά δυναμικού αναφέρεται σε δύο σημεία ενός κυκλώματος - σε συγκεκριμένο τμήμα του. Στη γλώσσα της Θερμοδυναμικής, η οποία θα διαμορφωθεί μετά το 1850, εκφράζει την ανά μονάδα φορτίου μεταβιβαζόμενη ενέργεια στο ( ή από το ) τμήμα του κυκλώματος.

Από την άλλη η ηλεκτρεγερτική δύναμη δεν αναφέρεται σε δύο σημεία αλλά στο σύνολο του κυκλώματος και, μετά την εδραίωση της Θερμοδυναμικής, εκφράζει την ανά μονάδα φορτίου ενέργεια με την οποία τροφοδοτείται το κύκλωμα εξ αιτίας της παρουσίας της πηγής.

Στη γλώσσα της Ηλεκτροδυναμικής είναι «η ηλεκτρεγερτική δύναμη του κυκλώματος» και εφόσον η γεννήτρια-πηγή είναι εντοπισμένη χρησιμοποιείται και ο όρος «ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής». Ειδικά η διαφορά δυναμικού μεταξύ των πόλων της πηγής – πολική τάση - έχει τιμή που εξαρτάται και από την πηγή αλλά και από τα υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώματος, ενώ η ηλεκτρεγερτική δύναμη – σύμβολο ℇ - συνιστά ένα από τα στοιχεία ταυτότητας της πηγής. Το άλλο είναι η εσωτερική αντίσταση. Όταν λέμε μπαταρία 12 βολτ εννοούμε ότι η ηλεκτρεγερτική δύναμη είναι 12 βολτ. Η πολική τάση της μπαταρίας θα είναι ίση με 12 βολτ μόνο εφόσον δεν διαρρέεται από ρεύμα, θα είναι σχεδόν ίση με 12 βολτ εάν η εσωτερική αντίσταση θεωρηθεί αμελητέα. Από κει και πέρα ανάλογα με το ποιοι είναι οι αντιστάτες η τιμή θα μπορούσε να είναι μικρότερη από 12 βολτ, μέχρι και μηδέν κατά το βραχυκύκλωμα.

Για ένα κύκλωμα με αντιστάτες, για ένα τμήμα του ΑΒ αντίστασης RΑΒ, σύμφωνα και με τον νόμο του Ohm, για την τιμή Ι της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος ισχύει Ι = VAB/RAB, ενώ για το σύνολο του κυκλώματος ισχύει Ι = ℇ/Rολ , όπου Rολ η «ολική» ισοδύναμη αντίσταση, άθροισμα της ισοδύναμης αντίστασης των αντιστατών και της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας και ℇ η ηλεκτρεγερτική δύναμη της μπαταρίας. Αλλά και όταν το κύκλωμα δεν ενεργοποιείται από μπαταρία αλλά από κάποια δυναμογεννήτρια, η ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται συνδιαμορφώνει την τιμή της έντασης του ρεύματος

Η εποχή του Ηλεκτρομαγνητισμού

9. 0. Ηλεκτρεγερτική δύναμη κατά την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. 
Δεκαετία του 1830, η οικοδόμηση της μεγάλης σύνθεσης που θα πάρει το όνομα Ηλεκτρομαγνητισμός έχει αρχίσει και ενώ οι Γάλλοι φυσικοί με επικεφαλής τον Ampere έχουν ήδη διαμορφώσει τα θεωρητικά του θεμέλια και έχουν διακρίνει την ιδιαίτερη σημασία του πηνίου, στην Αγγλία ο Michael Faraday2 θα φθάσει στη μεγαλύτερη ίσως ανακάλυψη του αιώνα, θα παρουσιάσει έναν καινούριο τρόπο για την παραγωγή άφθονου ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από διεργασίες που δεν θα είναι ηλεκτροχημικές, θα είναι διεργασίες ηλεκτρομαγνητικές. Στο νέο φαινόμενο θα δώσει το όνομα electromagnetic induction- ηλεκτρομαγνητική επαγωγή- και θα το περιγράψει βασιζόμενος στην έννοια ηλεκτρεγερτική δύναμη. Ένα πηνίο μέσα σε μαγνητικό πεδίο χρονικά μεταβαλλόμενο γίνεται πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Η έννοια ηλεκτρεγερτική δύναμη θα αξιοποιηθεί και για τη διατύπωση του σχετικού νόμου, με βάση τον οποίο θα δίνεται η απάντηση στο ερώτημα «πόσα βολτ θα είναι η τιμή της ηλεκτρεγερτικής δύναμης ;» Η ηλεκτρεγερτική δύναμη που αναπτύσσεται σε μία σπείρα του πηνίου με διαδικασία επαγωγής είναι ανάλογη με τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής3.

Την ίδια εποχή, στο Albany της πολιτείας της Νέας Υόρκης, ο Joseph Henry, θα φθάσει σε παρόμοια ανακάλυψη. Το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό ρεύμα ενός πηνίου μπορούσε να «επάγει» ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα πηνίο γειτονικό.

10. Βολτ, περισσότερα βολτ.
Ο Χάινριχ Ρούμκορφ. Αναζητώντας περισσότερα βολτ, το 1851, ένας από τους πολλούς Γερμανούς της γενιάς εκείνης που είχαν ιδιαίτερη έφεση στην τεχνολογία και στη φυσική, ο γεννημένος στο Αννόβερο κατασκευαστής οργάνων Heinrich Ruhmkorff θα επινοήσει και θα κατασκευάσει το λεγόμενο «επαγωγικό πηνίο» το οποίο λέγεται και πηνίο Ρούμκορφ. . Λειτουργούσε με βάση τα φαινόμενα αμοιβαία επαγωγή, αυτεπαγωγή και μαγνήτιση.

 Με μια μπαταρία 12 βολτ θα μπορούσε κανείς να δημιουργήσει δεκάδες χιλιάδες βολτ. Δύο πηνία τυλιγμένα γύρω από τον ίδιο σιδερένιο πυρήνα, δύο διαφορετικά κυκλώματα, το ένα το πρωτεύον με μερικές δεκάδες σπείρες από χαλκό, το άλλο από μερικές χιλιάδες σπείρες χάλκινες έτσι ώστε το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό ρεύμα του ενός, του πρωτεύοντος, να «επάγει» ηλεκτρεγερτική δύναμη στο άλλο. Στα άκρα του πρωτεύοντος μία μπαταρία. Ενεργοποιώντας το πρωτεύον κύκλωμα , το πρωτεύον πηνίο μαγνητοποιείται έλκει το σιδερένιο διακόπτη με συνέπεια τη διακοπή του ρεύματος. Στη φάση αυτή η απότομη αυξομείωση του ρεύματος προκαλεί επαγωγικά – αμοιβαία επαγωγή- ηλεκτρεγερτική δύναμη στο δευτερεύον που μπορεί να ξεπεράσει και τις εκατό χιλιάδες βολτ με αποτέλεσμα στο διάκενο να δημιουργηθεί σπινθήρας .

Το σχετικό ρεύμα είναι χαμηλής ισχύος . Το πηνίο Ρούμκορφ μετά τις σχετικές βελτιώσεις δημιουργούσε σπινθήρες μέχρι και 30 cm.
Στην Ευρώπη η νέα «ανακάλυψη» γινόταν όλο και περισσότερο γνωστή και θα έγραφε τη δική της ιστορία, με την αξιοποίησή της σε ολοένα και διευρυνόμενη γκάμα εφαρμογών .
Στα χρόνια που ακολούθησαν η υψηλή τάση του πηνίου Ρούμκορφ θα αξιοποιηθεί:

για τη λειτουργία γυάλινων σωλήνων που έδιναν φως από αέρια,

για την έρευνα στις καθοδικές ακτίνες και την συνεπαγόμενη «ανακάλυψη» του ηλεκτρονίου,

για την παραγωγή του ακτίνων Χ η οποία απαιτούσε πολύ υψηλή συνεχή τάση και, στον εικοστό αιώνα, για τη λειτουργία κάθε μπουζί στα αυτοκίνητα του μέλλοντος με μετασχηματισμό των 12 βολτ της μπαταρίας στις χιλιάδες βολτ, αναγκαία για να προκληθεί σπινθήρας.

Μετά το 1855, ο Ρούμκορφ δραστηριοποιήθηκε στο Παρίσι. Εκεί έφτιαχνε τα επαγωγικά του πηνία το ένα μετά το άλλο και τα εμπορευόταν. Το 1858 ο Ναπολέων ο ΙΙΙ του απένειμε το μεγάλο χρηματικό βραβείο για την κορυφαία «σύγχρονη» κατασκευή ηλεκτρικής διάταξης

Ιούλιος Βερν . Την ίδια εποχή , τη δεκαετία του 1860 , στο «Ταξίδι στο κέντρο της γης», στο «Από τη Γη στη Σελήνη» και στο «20000 λεύγες από τη θάλασσα ο Ιούλιος Βερν αναφέρεται σε «λυχνίες Ρούμκορφ». Κάθε μια από αυτές είναι ένας σωλήνας Γκάισλερ με διοξείδιο του άνθρακα ο οποίος ενεργοποιείται από πηνίο Ρούμκορφ.
Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιήθηκε τη δεκαετία του 1860 αλλά παρουσίαζε ενδεχόμενο έκρηξης και αντικαταστάθηκε από άζωτο το οποίο άναβε σε κόκκινο χρώμα ενώ το συνηθισμένο γυαλί του σωλήνα αντικαταστάθηκε από γυαλί με άλατα ουρανίου το οποίο παρουσίαζε φθορισμό σε πράσινο χρώμα.

11. Ηλεκτρικός μοχλός .

 Δύο πηνία καθένα σε διαφορετικό κύκλωμα, το πρώτο ρευματοφόρο από κάποια πηγή βολτ. Εάν το ρεύμα στο πρώτο αυτό πηνίο, για κάποιο λόγο, μεταβάλλεται – αυξάνεται, μειώνεται, ή είναι εναλλασσόμενο - το δεύτερο κύκλωμα γίνεται πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης . Το φαινόμενο - αμοιβαία επαγωγή- αξιοποιήθηκε με την επινόηση και την κατασκευή του πρώτου μετασχηματιστή η οποία ακολούθησε την ανακάλυψη του φαινομένου. Τα πηνία τυλιγμένα γύρω από σιδερένιο πυρήνα και εάν στα άκρα του πρώτου κυκλώματος – του πρωτεύοντος - εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση και οι σπείρες του δεύτερου – δευτερεύοντος - πηνίου είναι συγκριτικά περισσότερες, η (ενεργός) τάση στα άκρα του δευτερεύοντος είναι μεγαλύτερη . Όπως με τον πανάρχαιο μοχλό ο άνθρωπος κερδίζει σε δύναμη , χωρίς βέβαια να κερδίζει σε ενέργεια – χάνει σε μετατόπιση – με τον μετασχηματιστή κερδίσει σε βολτ, χωρίς να κερδίζει σε ενέργεια γιατί χάνει σε αμπέρ. Το «κέρδος» σε βολτ καθορίζεται από το «πόσες φορές» είναι περισσότερες οι σπείρες του δευτερεύοντος από τις σπείρες του πρωτεύοντος. Μία εναλλασσόμενη τάση, λόγου χάρη, 200 βολτ μπορεί έτσι να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη τάση 20000 βολτ. Με ανάλογο τρόπο ένας μετασχηματιστής μπορεί να λειτουργήσει και για την μείωση – ταπείνωση- μιας εναλλασσόμενης τάσης. Χάρη στους μετασχηματιστές έγινε δυνατή η μεταφορά του «αγαθού» ηλεκτρική ισχύς από τον σταθμό παραγωγής στους τόπους κατανάλωσης και στον εικοστό αιώνα ο πλανήτης των ανθρώπων γέμισε με οριζόντια σε κάποιο ύψος στερεωμένα καλώδια και με μετασχηματιστές στερεωμένους πάνω σε κολώνες.

12. Έκατοντάδες χιλιάδες βολτ.

 Το πηνίο Tesla. Το 1891 ο «χαρισματικός» Nikola Tesla επινόησε και κατασκεύασε μια διάταξη με την οποία μπορούσε να δημιουργεί εκατοντάδες χιλιάδες βολτ κατά τρόπο ώστε να εκδηλώνονται εντυπωσιακά οπτικά «θαύματα» .Το λεγόμενο πηνίο Tesla είναι ένα είδος μετασχηματιστή που διαφέρει από τον συμβατικό μετασχηματιστή στον οποίο τα δύο πηνία βρίσκονται σε «στενή» σύζευξη, το «κέρδος» σε βολτ καθορίζεται από το λόγο των σπειρών των δύο πηνίων και λειτουργεί καλά σε συνήθεις τάσεις. Σε ψηλές τάσεις η μόνωση μεταξύ των δύο πηνίων σπάζει, γεγονός που εμποδίζει τον σιδηρομαγνητικό πυρήνα να παρακολουθήσει τη λειτουργία.

Στη διάταξη του Tesla τα δύο πηνία δεν βρίσκονται σε σφικτή σύζευξη, ανάμεσα τους υπάρχει διάκενο αέρα. Το πρωτεύον περιέχει πυκνωτή στο διάκενο του οποίου δημιουργούνται σπινθήρες σε σύνδεση με ένα πηνίο με λίγες σπείρες και συνιστά ένα συντονιζόμενο κύκλωμα με ιδιοσυχνότητα πολλών κιλοχέρτς- kHz -καθοριζόμενη από τη χωρητικότητα του πυκνωτή και τον συντελεστή αυτεπαγωγής του πηνίου. Ο πυκνωτής παρουσίαζε εκφόρτιση στο διάκενο σε τάση που μπορούσε να φθάνει τις εκατοντάδες χιλιάδες βολτ.

«Εκείνη» και οι άλλες έννοιες.

13. Ηλεκτρεγερτική δύναμη. Ένας ορισμός με βάση τη μετρούμενη τάση και ένας ορισμός με βάση την έννοια ενέργεια. Σε επίπεδο άμεσης εμπειρίας η ηλεκτρεγερτική δύναμη ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου ή μιας δυναμογεννήτριας ορίζεται ως η διαφορά δυναμικού – η οποία είναι μετρήσιμη ποσότητα - στους πόλους της διάταξης όταν η διάταξη δεν διαρρέεται από ρεύμα. Είναι επίσης η μέγιστη τάση που θα μπορούσε να παρουσιάσει η διάταξη .
Μετά τα μέσα του 19ου αιώνα η θεμελίωση της θερμοδυναμικής θα συμπεριλάβει και την πληρέστερη ίσως απάντηση στο ερώτημα «τι μας προσφέρει μια μπαταρία ;». Μια μπαταρία προσφέρει ενέργεια . Στη γλώσσα που δημιουργήθηκε δόθηκε και ένας ακόμα ορισμός της έννοιας ηλεκτρεγερτική δύναμη. Μία πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης μεταβιβάζει ενέργεια με μηχανισμό ( ηλεκτρικού) έργου dW σε ποσότητες ηλεκτρικού φορτίου dq και η τιμή της ηλεκτρεγερτικής δύναμης ορίζεται ως το έργο ανά μονάδα φορτίου. ℇ = dW/dq.
14. Ηλεκτρεγερτική δύναμη και ένταση ηλεκτρικού πεδίου. O μαθηματικός φορμαλισμός. Στο εσωτερικό κάθε ηλεκτροχημικού στοιχείου , όπως και στο εσωτερικό μιας δυναμογεννήτριας συντελείται διαχωρισμός θετικών και αρνητικών φορτίων - μέσα από διεργασίες χημικές στη μία περίπτωση, ηλεκτρομαγνητικές στην άλλη - με αποτέλεσμα την δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό των καλωδίων, των αγωγών. Μια πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης και ένας αγωγός. Η «πηγή», με άλλα λόγια, ηλεκτρεγερτικής δύναμης μπορεί να θεωρηθεί ότι συμβάλλει στη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό του αγωγού αλλά και στη μετακίνηση θετικού φορτίου από περιοχή με υψηλό δυναμικό σε περιοχή χαμηλότερου δυναμικού. Αν φανταστούμε το ηλεκτρικό αυτό πεδίο και μια στοιχειώδη μετατόπιση ηλεκτρικού φορτίου κατά dℓ, σε περιοχή έντασης Ε το στοιχειώδες έργο ανά μονάδα φορτίου - η μεταβιβαζόμενη με μηχανισμό έργου ενέργεια ανά μονάδα φορτίου - θα είναι το εσωτερικό γινόμενο Εdℓ και το έργο ανά μονάδα φορτίου κατά μήκος μιας κλειστής τροχιάς, το κλειστό ολοκλήρωμα ∮Εdℓ, θα είναι η τιμή ℇ της ηλεκτρεγερτικής δύναμης ℇ = ∮Εdℓ.

15. Μπαταρία επαναφορτιζόμενη. Μπαταρίες στον 21ο αιώνα. Οι μπαταρίες της πρώτης εποχής ήταν ηλεκτροχημικά στοιχεία που μπορούσαν να προσφέρουν ηλεκτρεγερτική δύναμη και ηλεκτρικό ρεύμα. To 1859, ο Γάλλος ερευνητής Gaston Planté επινόησε και κατασκεύασε τη «βαριά» μπαταρία μολύβδου, την πρώτη μπαταρία που ήταν δυνατόν να επαναφορτίζεται, ρευματοδοτούμενη με ηλεκτρικό ρεύμα αντίθετης φοράς από εκείνο που «έδινε» ως πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Η άνοδος από μόλυβδο και η κάθοδος από οξείδιο του μολύβδου βυθισμένες σε θειικό οξύ. Στον 20ο αιώνα η «12βολτη» μπαταρία μολύβδου – έξι γαλβανικά στοιχεία σε σειρά καθένα με ηλεκτρεγερτική δύναμη γύρω στα 2,1 βολτ – θα ήταν απαραίτητο στοιχείο για κάθε αυτοκίνητο.
Τόσο αυτή όσο και οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες σαν αυτή με νικέλιο και κάδμιο θα επέτρεπαν την επέκταση της ζωής για ορισμένες από τις μπαταρίες του σήμερα. Η μπαταρία νικελίου- καδμίου με ηλεκτρεγερτική δύναμη είναι 1,2 βολτ είναιεπαναφορτιζόμενη μπαταρία με άνοδο «ένωση του νικελίου NiOOH» και κάθοδο μεταλλικό κάδμιο. Ο συνηθέστερος τύποςμπαταρίας λιθίου εμπεριέχει μεταλλικό λίθιο ως άνοδο και ως κάθοδο διοξείδιο του μαγγανίου με ένα άλας λιθίου διαλυμένο σε οργανικό διαλύτη . Σε πολλές από τις αλκαλικές μπαταρίες το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι ψευδάργυρος και το θετικό διοξειδίου του μαγγανίου. Χαρακτηρίζονται «αλκαλικές» διότι έχουν ως ηλεκτρολύτη υδροξείδιο του καλίου αντί για το χλωριούχο αμμώνιο ή το χλωριούχο ψευδάργυρο που έχουν οι μπαταρίες ψευδραργύρου άνθρακα . Λειτουργούν με χημικές αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχει ο μεταλλικός ψευδάργυρος και το διοξειδίου του μαγγανίου ενώ δεν συμμετέχει ο ηλεκτρολύτης «υδροξείδιο του καλίου».
Πόσο ζει μια μπαταρία ; Το ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να διακινηθεί μέχρι την εκφόρτισή της είναι ένα στοιχείο ταυτότητας κάθε μπαταρίας. Στη γλώσσα των ηλεκτρολόγων και των φυσικών λέγεται «χωρητικότητα της μπαταρίας» και η μονάδα μέτρησης που έχει κυριαρχήσει δεν είναι η μονάδα ηλεκτρικού φορτίου του SI – δηλαδή το 1 Coulomb – αλλά η μονάδαμία αμπερώρα, 1 Ah.. Μια πλακέ μπαταρία σχολικού εργαστηρίου των 4,5 βολτ με χωρητικότητα 6 Ah διαρρεόμενη από σταθερό ρεύμα 30 mA εκφορτίζεται σε 200 ώρες. Μια αλκαλική μπαταρία LR20 1, 5 βολτ με χωρητικότητα 12 Ah διαρρεόμενη από σταθερό ρεύμα 120 mA εκφορτίζεται σε 100 ώρες.

16. Το εννοιακό δίκτυο στην περιοχή της έννοιας

Έννοιες που ανήκουν στην περιοχή του εννοιακού δικτύου όπου βρίσκεται η ηλεκτρεγερτική δύναμη συνδεόμενες με αυτήν με κάποιο είδος θηλιάς μαζί της είναι η διαφορά δυναμικού, η μεταβιβαζόμενη με μηχανισμό έργου ενέργεια, η ηλεκτρικό φορτίο, η ένταση ηλεκτρικού ρεύματος, η ηλεκτρική ισχύς, η αντίσταση αγωγού, η εσωτερική αντίσταση μιας μπαταρίας, η ένταση ηλεκτρικού πεδίου, η μαγνητική ροή, η χρονικό διάστημα, ο συντελεστής αυτεπαγωγής.

Παραπομπές. Σημειώσεις

1.Μολονότι η λέξη energy έχει προταθεί από την αρχές του 19ου αιώνα χωρίς αποσαφηνισμένο το σημασιακό της περιεχόμενο δεν θα υιοθετηθεί από την ευρωπαϊκή επιστημονική κοινότητα μέχρι και το 1850. Το 1842 ο Mayer προκειμένου για τη μετέπειτα «δυναμική ενέργεια βαρύτητας» ίση με το γινόμενο «βάρος επί ύψος» θα χρησιμοποιήσει, σε γλώσσα γερμανική, τον όρο Fallkraft – πτωτική δύναμη -ενώ στα 1847 ο Helmholtz στην εργασία του για τη Διατήρηση της ενέργειας θα δώσει τον τίτλο Über die Erhaltung der Kraft Περί της διατήρησης της δύναμης.

2. Ο Michael Faraday γιος ενός Άγγλου σιδερά από το Surrey, παιδί της γενιάς του Γεώργιου Καραϊσκάκη, θεωρείται ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός στην Ιστορία της επιστήμης αλλά και μία περίπτωση ξεχωριστή. Ήταν πριν απ όλα ένας μεγάλος φυσικός που αγνοούσε τα μαθηματικά, ίσως ο τελευταίος φυσικός που μπόρεσε να τα βγάλει πέρα παρά το σοβαρό μειονέκτημα. Η άγνοια των μαθηματικών αλλά και η αδυναμία του να λειτουργεί με διεργασίες αφαίρεσης τον έριξε πριν απ όλα στην αγκαλιά του πειράματος. Oι αναζητήσεις που τον οδήγησαν στην «ανακάλυψη» του φαινομένου ηλεκτρομαγνητική επαγωγή καταγράφονται στα ημερολόγιά του. Σε αυτά διαβάζουμε για τις επινοήσεις του, για τις περιγραφές των δικών νέων κατασκευών και για τις επαναλήψεις των πειραμάτων του και μας εντυπωσιάζει η υπομονή του και η πίστη που τον διακρίνει μολονότι κάθε φορά καταλήγει στο μονότονο «πάλι δεν έγινε τίποτα». Τελικά τα κατάφερε, ύστερα από χρόνια αποτυχημένων προσπαθειών. Ήταν έτος 1831.

3. Στο πείραμα με τον μαγνήτη να πλησιάζει το μεταλλικό πηνίο να κάθε σπείρα του πηνίου να γίνεται πηγή ηλεκτρεγερτικής δύναμης ως αιτία μπορεί να θεωρηθεί το γεγονός ότι «τα δύο αντικείμενα πλησιάζουν το ένα με το άλλο» . Μπορούμε όμως ισοδύναμα να «βλέπουμε» την κάθε μεταλλική σπείρα του πηνίου να υπάρχει μέσα στο μαγνητικό πεδίο του ραβδομαγνήτη και όταν εκείνος βρίσκεται σε ορισμένη απόσταση, το πεδίο αυτό - στην περιοχή της σπείρας - έχει ορισμένη ένταση. Βλέπουμε την κάθε μεταλλική σπείρα του πηνίου να «υπάρχει» μέσα στο μαγνητικό πεδίο του ραβδομαγνήτη και εμπλουτίζουμε τη ματιά μας με την εικόνα των δυναμικών γραμμών . Βλέπουμε επίσης –με τα μάτια ενός γεωμέτρη- την περίπου κυκλική γεωμετρική γραμμή που αντιστοιχεί στο σύρμα της σπείρας καθώς και την επιφάνεια η οποία οριοθετείται με τη γραμμή αυτή. Συνδυάζοντας την όραση του φυσικού με εκείνη του γεωμέτρη «βλέπουμε» ορισμένες δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου να τρυπούν αυτή την επιφάνεια, την «επιφάνεια της σπείρας». Τέλος, καθώς πλησιάζει ο μαγνήτης, «διακρίνουμε» -με το βλέμμα της σκέψης, εννοείται- ότι ο αριθμός αυτός των δυναμικών γραμμών (που τρυπάνε την επιφάνεια της) μεταβάλλεται. Η μεταβολή αυτή ήταν για τον Faraday η αιτία εμφάνισης ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Η μεταβολή του αριθμού των δυναμικών γραμμών καταγράφεται ως μεταβολή της μαγνητικής ροής
Η μαγνητική ροή ένα από τα πιο «αφηρημένα» τέκνα της συνάντησης Γεωμετρίας και Φυσικής, είναι βαθμωτό μέγεθος το οποίο αναφέρεται σε μαγνητικό πεδίο και σε γεωμετρική επιφάνεια η οποία βρίσκεται μέσα σ’ αυτό και η τιμή της θεωρείται ανάλογη προς τον αριθμό των δυναμικών γραμμών που διαπερνούν τη συγκεκριμένη επιφάνεια. Ορίζεται ως εσωτερικό γινόμενο των διανυσμάτων ένταση μαγνητικού πεδίου και « διάνυσμα επιφάνειας».

Πηγή: Υλικό Φυσικής Χημείας