Nem ezt tanultuk fizikaórán

Mi történik, ha két pozitív elektromos töltésű fémgömböt egymás közelébe helyezünk? Taszítani fogják egymást. Vagy mégsem? Egy új eredmény szerint valami nem stimmel a középiskolából jól ismert elektrosztatikával.

Mi történik, ha két pozitív elektromos töltésű fémgömböt egymás közelébe helyezünk? Taszítani fogják egymást, hiszen az azonos előjelű töltések taszítják egymást. Igaz?

Nem egészen. John Leknernek, az új-zélandi Victoria Egyetem fizikaprofesszorának nemrégiben publikált eredménye mást mutat: eszerint a legtöbb esetben a két fémgömb vonzani fogja egymást!

Az alapvető fizikai intuicíónknak ellentmondó konklúzió a szakembereket is meglepte. "Nem volt ismert előttem ez a jelenség, de a cikket elolvasva hihetőnek tűnik" - kommentálta az eredményt a Nature Newsnak William Ducker, a Virgina Tech vegyészprofesszora, a molekuláris erők mérésének specialistája.

Oszd meg, és uralkodj!

Hogyan jöhet létre ez az elsőre bizarrnak tűnő jelenség? A jelenség kulcsa, hogy a gömbök anyaga fém, tehát jó elektromos vezetőképességűek. Ez annyit tesz, hogy a fém anyagában a töltések szabadon elmozdulhatnak, vagyis a golyók töltéseloszlása képes átrendeződni.

Amikor a két gömböt egymáshoz közelítjük, a gömbök felszínén ülő pozitív töltések valóban taszítani kezdik egymást. Ennek hatására a fémgolyók felszínén a töltéseloszlás megváltozik: az "A" gömb töltéseinek taszító ereje miatt a "B" gömb felületén a pozitív töltések "hátrálni" kezdenek, és az A-val átellenes oldalon gyűlnek össze; a B gömb A-hoz közeli, kiüresedett oldalán pedig negatív töltéstöbblet marad. E jól ismert jelenség neve: töltésmegosztás. A gömbök közel eső oldalain felhalmozódó ellentétes előjelű töltések azután már vonzó hatást fejtenek ki egymásra, s ez összességében vonzóerőt eredményezhet a gömbök között.

Minden attól függ, pontosan hogyan rendeződnek át a töltések, miközben a két golyót egymáshoz közelítjük. Lekner elméleti számítási azt mutatják, hogy a vonzóerő majdnem mindig győztesen kerül ki a vonzások és taszítások küzdelméből.

Vonzás és taszítás

Ha a gömbök elegendően távol vannak egymástól, felszínükön közel egyenletes töltéseloszlás alakul ki, s a két gömb taszítja egymást - mintha csak két kicsiny pozitív töltés lenne. Ez érthető. Ha azonban a golyókat közelíteni kezdjük egymáshoz, létrejön a töltésmegosztás: az egyik gömb pozitív töltései arrébb lökdösik a másik gömb pozitív töltéseit, a hátramaradt negatívokat pedig vonzani kezdik. Ha a gömbök elég közel vannak - szól Lekner eredménye -, a vonzó hatás válik dominánssá.

Ha két pozitív töltésű fémgömb elég közel kerül egymáshoz, vonzó kölcsönhatás lép fel közöttük, nem pedig taszító.

Van azonban egy érdekes kivétel. Ha a két golyó ugyanolyan méretű és töltésű, akkor - a szimmetria miatt - nem világos, melyik gömb fogja megosztani a másik töltéseit. És valóban, Lekner számítási szerint ilyenkor a taszító kölcsönhatás megmarad. Egyik golyó se tudja elcsábítani a másik negatív töltéseit.

A kísérlet dönt

Hogyan lehetséges, hogy erre a figyelemreméltó jelenségre eddig senki nem figyelt föl? "Nagyon is lehetséges, hogy észrevették" - mondja Lekner a Nature-nek, emlékeztetve egy ismert esetre: 1836-ban William Snow Harris angol tudós, aki elsőként tervezett villámhárítót hajóra, töltött fémlemezekkel kísérletezett. Amiről beszámolt, alátámasztja Lekner teóriáját: néha a taszítóerő teljes megszűnését és a vonzóerő megjelenését tapasztalta.

Lekner szerint modern eszközökkel viszonylag egyszerűen lehetne kísérletileg tesztelni eredményét. Azért merülnek fel nehézségek - teszi hozzá Ducker. A közönséges fémek véges ellenállása megakadályozza, hogy a töltéseloszlás szabadon átrendeződjön, tehát lehetséges, hogy egy szupravezetőben működne jól a kísérlet. Másrészt a berendezés igen finom szabályozhatóságára volna szükség: a gömbfelületeknek annyira simának kell lenniük, hogy a gömbök előbb érezhessék a vonzó kölcsönhatást - ez kis távolságnál valósul meg - mint hogy összeérnek; a fémgolyók töltésének igen precíz kontrollját kellene megvalósítani, és meggátolni az esetleges töltésáramlást kettejük között. Mindez persze nem lehetetlen. "Már gondolkozom a kísérlet részletein" - mondja végül Ducker.

Gömöri Márton