Magyarok korszakalkotó találmánya a transzformátor, amiért Edison nem akart fizetni

Hogy az elektromosság meghatározóvá vált a modern technikában, abban három magyar feltalálónak is fontos szerepe volt: Déri Miksának, Bláthy Ottónak és Zipernowsky Károlynak. 1885. január 2-án benyújtották a transzformátorról szóló szabadalmukat, és evvel elindult diadalútjára az elektromosság technikai alkalmazása. Az elektromosság többé nemcsak játékszer vagy néhány kiváló tudós kíváncsiságának tárgya volt, hanem mindennapjaink meghatározó fontosságú eszközévé vált.

Torinóban bemutatkozik az elektromos energia

Lépjünk vissza kissé az időben a transzformátor szabadalmának benyújtásához képest. Nem is kell sokat, elég csak hat évet: Thomas Edison 1889-ben tette meg korszakalkotó felfedezését, majd be is mutatta 100-150 volton, egyenáramú elven működő lámpáit. Bármennyire fontos volt ez a találmány, kezdetben csupán arra volt alkalmas, hogy kiállításokon, bemutatókon kápráztassa el a közönséget az éjszaka sötétjét megtörő fénnyel, de még nem látszott, hogyan lehet szétválasztani az elektromos energia forrását és annak felhasználását nagyobb távolságokban is.

Három évvel később nagy lépést tett ebbe az irányba két mérnök: a francia Lucien Gaulard és a brit John Dixon Gibbs, akik egyenáram helyett már váltóáramot használtak, amelynek feszültségét nyitott vasmagos sorba kötött indukciós tekercsekkel tudták változtatni. Módszerük nagy hátránya volt, hogy a vasmagot úgy kellett bedugni és kihúzogatni, hogy a megfelelő feszültséget biztosítani tudják, és a sorba kötött lámpákra jutó feszültség a lámpák számával csökkent, ezért csak korlátozott számú égőt lehetett alkalmazni. Szabadalmukat nagyobb nyilvánosság előtt Torinóban mutatták be 1882-ben az ottani kiállításon. Ott jelen volt a Ganz gyár magyar mérnöke, Déri Miksa is, aki azonnal felismerte a találmány horderejét, és azon kezdett gondolkozni, hogyan lehet kiküszöbölni a technikai korlátokat.

A magyar szabadalom megszületése

Déri Miksa Torinóból hazatérve azonnal munkához látott: munkatársával, Bláthy Ottóval nyitott vasmag helyett zárt vasmagot alkalmaztak, hogy ezáltal rögzített feszültséghez jussanak, és elkerüljék a vasmagok mozgatásával együtt járó nehézségeket. Először ők is sorba kötött tekercseket használtak, ekkor jött be a képbe Zipernowsky Károly, aki felvetette az ötletet, hogy egymáshoz képest párhuzamosan legyenek elhelyezve a tekercsek, ami már veszteség nélkül tudja biztosítani, hogy minden égőre azonos feszültség jusson.

Így történt, hogy csupán hat évvel Edison találmánya után megszületett a transzformátor szabadalma. Érdemes megjegyezni, hogy maga a szó – transzformátor – is az ő szabadalmukból származik. A szabadalom első jelentős hasznosítására 1885. május 2-án került sor a Magyar Országos Kiállítás megvilágításának megoldásával.

A szabadalom sikerét mutatja, hogy magának Edison cégének is kezdetben a Ganz szállította a transzformátorokat. Az már Edison mentalitására jellemző, hogy a szabadalomért nem akart fizetni, és csak hosszabb pereskedés után kaphatták meg a feltalálók a szabadalmi járulék egy kisebb hányadát.

Egy másik szál: Nikola Tesla találmánya

Térjünk még ki a transzformátor történetének egy másik szálára is, ami Nikola Tesla nevéhez kapcsolódik. Tesla az Osztrák-Magyar Monarchiában született 1856-ban egy szerb család negyedik gyermekeként. Változatos pályája során rövid ideig, 1881-ben, a Puskás Tivadar által vezetett Budapesti Telefon Központban is dolgozott, majd Puskás támogatásával jutott el Párizsba Edison helyi vállalatához mint világítástechnikai mérnök. Innen tovább vezetett útja New Yorkba, ahol azonban csak rövid ideig maradt Edison cégében, és kisebb kitérők, majd önálló próbálkozások után a Westinghouse Electric cégénél kötött ki.

Tesla a váltóáramú indukciós motorok és generátorok megszállottja volt, szemben Edisonnal, aki az egyenáramra esküdött a motorgyártásban is. Edison mindent megtett, hogy a váltóáramú motorokat lejárassa, és nagy tekintélye folytán jó húsz évre vetette vissza a váltóáramú motorok gyártását.

Itt lép be a transzformátorok történetébe Tesla, aki 1891-ben beadott egy szabadalmat, amellyel el lehetett kerülni, hogy nagyobb frekvenciájú váltóáramok megolvasszák a vasmagot, és leégessék a tekercseket. Ez egy légrés alkalmazása volt a bemeneti és kimeneti tekercsek között, ami biztosította a megfelelő hűtést. Ez a szabadalom adta meg a lehetőséget, hogy háttérbe szoruljon a három magyar mérnök találmánya az Egyesült Államokban, ahol ettől fogva a transzformátor megalkotását George Westinghouse nevéhez kapcsolták.

A magyar feltalálók elsőbbségének elismerésére egészen 1960-ig kellett várni, amikor a washingtoni Smithsonian Múzeum már a Ganz Művek két transzformátorát állította ki mint első működő példányokat.

A transzformátor működési elve

A transzformátorok működési elvének megértése kedvéért ugorjunk most vissza fél évszázadot a szabadalom benyújtásához képest, 1831-be, amikor Michael Faraday felfedezte az elektromágneses indukció törvényét. Ennek lényege, hogy az elektromos tér megváltozása mágneses teret hoz létre, és fordítva, a mágneses tér változása elektromos teret indukál. A vas különös tulajdonsággal rendelkezik, mert képes ezt a hatást megsokszorozni és továbbítani. Ez a ferromágneses jelenség, ami megnövelt mágneses teret, precízebben indukciót hoz létre, amelynek mértékét szokás a mágneses fluxussal jellemezni.

Ez a fluxus, amit a bemeneti, primer tekercs hoz létre a rajta átfolyó árammal arányosan, úgy jut el a vasmag túloldalán lévő szekunder tekercshez, hogy veszteség alig jön létre. Ebben a tekercsben kelt elektromos áramot a vasmag változó fluxusa. A primer tekercs egyes meneteiben a körbefutó váltóáram merőleges irányban mágneses teret indukál, ami a szorosan illeszkedő menetek miatt összeadódik, és a létrejövő fluxus arányos lesz a menetek számával. A túloldalon lévő tekercsben jön létre a váltakozó fluxus miatt az elektromos áram, amelynek erőssége a szekunder tekercs menetszámával lesz arányos. Ha a transzformációt elektromos feszültségre vonatkoztatjuk, akkor azt kapjuk, hogy a bemeneti feszültség fel vagy le transzformálható, annak függvényében, hogy hogyan aránylik egymáshoz a bemeneti és a kimeneti tekercsek menetszáma.

Miért korszakalkotó a transzformátor feltalálása?

A feszültség transzformálásának két fontos felhasználási területe van: az egyik, hogy a fogyasztó, illetve valamilyen elektromos berendezés feszültségigénye más, mint amit az erőmű produkál, vagy amivel az elektromos hálózat rendelkezik. A másik óriási előny, hogy lehetővé teszi az elektromos energia nagy távolságokra való szállítását kis veszteség mellett. Ha az erőmű és a fogyasztási hely között a vezeték ellenállása R, akkor egyrészt evvel az R ellenállással, másrészt az áram négyzetével arányos a veszteség, amely a vezetékben keletkezik. Egy adott mennyiségű elektromos áram teljesítményét a feszültség és az áram szorzata adja meg, így ha magas feszültséggel szállítjuk az áramot, akkor ugyanazt a teljesítményt sokkal kisebb áramerősséggel és így jóval kisebb veszteséggel tudjuk elérni.

Ez az alapja, hogy az elektromos áramot a Föld minden pontjára el tudjuk juttatni és ott felhasználni. Ne feledjük, hogy ezt a lehetőséget három magyar mérnök nagyszerű találmánya adta meg nekünk, abban a korban, amikor a magyar mérnöki kultúra a műszaki fejlődés élvonalához tartozott.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Kalandozások a fizikában címen a Qubiten futó sorozatának korábbi írásai itt, tudósportréi pedig itt találhatók.