Elektrotehnikas paradoksa vēsture

Ja jūs izveidojat elektrisko ķēdi no strāvas avota, enerģijas patērētājs un vadi, kas tos savieno, aizveriet to, tad gar šo ķēdi plūdīs elektriskā strāva. Ir pamatoti jautāt: “Un kādā virzienā?” Mācību grāmata par elektrotehnikas teorētiskajiem pamatiem sniedz atbildi: “Ārējā ķēdē strāva plūst no enerģijas avota plusa līdz mīnusam, un avota iekšpusē no mīnusa līdz plusam” (1).

Vai tas tā ir? Atgādiniet, ka elektriskā strāva ir elektriski lādētu daļiņu pasūtīta kustība. Metāla vadītājos esošās ir negatīvi lādētas daļiņas - elektroni. Bet elektroni ārējā ķēdē pārvietojas tieši pretēji no avota mīnusiem uz plusu. To var pierādīt ļoti vienkārši. Iepriekš minētajā shēmā ir pietiekami ievietot elektronisko lampu - diodi. Ja luktura anoda ir pozitīvi uzlādēta, tad strāva ķēdē būs, ja negatīva, tad strāvas nebūs. Atgādiniet, ka pretēji lādiņi piesaista, tāpat kā lādiņi atgrūž. Tāpēc pozitīvais anods piesaista negatīvos elektronus, bet ne otrādi. Mēs secinām, ka virziens, kas ir pretējs elektronu kustībai, tiek pieņemts par elektriskās strāvas virzienu elektrotehnikas zinātnē. (2)

Virziena izvēli, kas ir pretējs esošajam, nevar saukt par citādi paradoksālu, taču šādas neatbilstības iemeslus var izskaidrot, ja mēs izsekojam elektrotehnikas kā zinātnes attīstības vēsturi.

Starp daudzajām teorijām, dažkārt pat anekdotiskām, mēģinot izskaidrot elektriskās parādības, kas parādījās elektrības zinātnes rītausmā, pakavēsimies pie divām galvenajām.

Amerikāņu zinātnieks B. Franklins izvirzīja tā saukto vienoto elektrības teoriju, saskaņā ar kuru elektriskās vielas ir sava veida bezsvara šķidrums, kas varētu noplūst no dažiem ķermeņiem un uzkrāties citos. Pēc Franklina teiktā, elektriskais šķidrums ir ietverts visos ķermeņos, un tas elektrificējas tikai tad, ja tajos trūkst vai ir pārmērīgs elektriskais šķidrums. Šķidruma trūkums nozīmē negatīvu elektrifikāciju, bet pārpalikums - pozitīvu. Tātad parādījās pozitīvā un negatīvā lādiņa jēdziens. (3) Ja pozitīvi lādētie ķermeņi ir savienoti ar negatīvajiem ķermeņiem, elektriskais šķidrums (šķidrums) no ķermeņa ar palielinātu šķidruma daudzumu nonāk ķermenī ar samazinātu daudzumu. Tāpat kā saziņas kuģos. Ar to pašu hipotēzi zinātnē ienāca elektrisko lādiņu - elektriskās strāvas - kustības koncepcija. (4)

Franklina hipotēze izrādījās ļoti auglīga un paredzēja elektronisko vadīšanas teoriju. Tomēr tā izrādījās tālu no ideālas. Fakts ir tāds, ka franču zinātnieks Dufe atklāja, ka ir divu veidu elektrība, kas, paklausot katrai individuāli Franklina teorijai, nonākot saskarē, neitralizēja viens otru. (5). Iemesls, kāpēc radās jauna duālisma teorija par elektrību, kuru izvirzīja Simmers, pamatojoties uz Dufe eksperimentiem, bija vienkāršs. Pārsteidzoši, ka daudzu gadu desmitu eksperimentu laikā ar elektrību neviens nepamanīja, ka, berzējot elektrificētus ķermeņus, tiek uzlādēts ne tikai noberztais, bet arī berzētais ķermenis. Pretējā gadījumā Simmera hipotēze vienkārši nebūtu parādījusies. Bet tam, ka viņa parādījās, ir savs vēsturiskais taisnīgums. (6)

Duālistiskā teorija uzskatīja, ka parastā stāvokļa ķermeņos ir divu veidu elektriskie šķidrumi DAŽĀDOS daudzumos, kas neitralizē viens otru. Elektrifikācija tika izskaidrota ar to, ka mainījās pozitīvās un negatīvās elektrības attiecība ķermeņos. Tas nav ļoti skaidrs, bet bija nepieciešams kaut kā izskaidrot reālās dzīves parādības.

Abas hipotēzes veiksmīgi izskaidroja galvenās elektrostatiskās parādības un ilgu laiku konkurēja savā starpā. Vēsturiski duālistiskā teorija paredzēja jonu teoriju par gāzu un šķīdumu vadītspēju. (7)

Veltiskās kolonnas izgudrojums 1799. gadā un sekojošais elektrolīzes fenomena atklājums ļāva secināt, ka šķidrumu un šķīdumu elektrolīzes laikā tajos tiek novēroti divi pretēji lādiņu kustības virzieni - pozitīvais un negatīvais. Dualistiskā teorija triumfēja, jo, sadaloties, piemēram, ūdenim, varēja skaidri redzēt, ka uz pozitīvā elektroda izdalās skābekļa burbuļi, bet negatīvajā elektrodā izdalās ūdeņradis. (8). Tomēr šeit viss nebija gludi. Ūdens sadalīšanās laikā izdalīto gāzu daudzums nebija vienāds. Ūdeņradī bija divreiz vairāk skābekļa. Tas neizpratnē. Kā gan kāds pašreizējais skolēns, kurš zināja, ka ūdens molekulā ir divi ūdeņraža atomi, kas atrodas ūdens molekulā (slavenais ashdvo), bet ķīmiķi to vēl nav nākuši klajā.

Nevar teikt, ka šīs teorijas saprata ne tikai studenti, bet arī paši zinātnieki. Revolucionārais demokrāts A.I. Herzen, starp citu, Maskavas universitātes Fizikas un matemātikas fakultātes absolvents rakstīja, ka šīs hipotēzes nepalīdz un pat “nodara briesmīgu ļaunumu studentiem, dodot viņiem vārdus, nevis jēdzienus, nogalinot jautājumu ar nepatiesu gandarījumu. "Kas ir elektrība?" - “Bezsvara šķidrums”. Vai nebūtu labāk, ja students atbildētu: “Es nezinu.”? ” (10). Tomēr Herzen kļūdījās. Patiešām, mūsdienu terminoloģijā elektriskā strāva plūst no avota plusa līdz mīnusam un nekādā citā veidā nepārvietojas, un mūs tas nemaz neapbēdina.

Simtiem zinātnieku no dažādām valstīm veica tūkstošiem eksperimentu ar volta polu, bet tikai divdesmit gadus vēlāk dāņu zinātnieks Oersteds atklāja elektriskās strāvas magnētisko darbību. 1820. gadā tika publicēts viņa ziņojums, kurā teikts, ka diriģents ar strāvu ietekmē magnētiskās adatas rādījumus. Pēc daudziem eksperimentiem viņš dod noteikumu, pēc kura jūs varat noteikt magnētiskās adatas novirzes virzienu no strāvas vai strāvas no magnētiskās bultiņas virziena. "Mēs izmantosim formulu: stabs, kurš redz negatīvu elektrību, kas nonāk virs sevis, novirzās uz austrumiem." Noteikums ir tik neskaidrs, ka mūsdienu literāts cilvēks uzreiz neizdomā, kā to izmantot, bet kā ir ar laiku, kad jēdzieni vēl nav izveidoti.

Tāpēc Ampere savā darbā, kuru iesniedza Parīzes Zinātņu akadēmija, vispirms nolemj kā galveno ņemt vienu no strāvas virzieniem un pēc tam dod noteikumu, pēc kura var noteikt magnētu ietekmi uz straumēm. Mēs lasām: “Tā kā man būtu pastāvīgi jārunā par diviem pretējiem virzieniem, kuros plūst abas elektrības, tad, lai izvairītos no nevajadzīgiem atkārtojumiem, pēc vārdiem ELEKTRISKĀS strāvas virziens es vienmēr domāju POZITĪVU elektrību.” Tātad vispārpieņemtais virziena noteikums tika ieviests pirmo reizi. pašreizējais. Patiešām, pirms elektrona atklāšanas bija vairāk nekā septiņdesmit gadi. (11).

Eiropā 17. – 19. Gadsimtā MONEMONICS kļuva plaši izplatīta. vai iegaumēšanas māksla, tas ir, dažādu paņēmienu sistēma, kas atvieglo iegaumēšanu, veidojot mākslīgas asociācijas. Piemēram, dzejoļi ir pazīstami ar atcerēšanos PI skaitam - “Kurš joko un drīz gribēs ...”, kas ir vairāk nekā simts gadu vecs. Vai arī teiciens par fazāniem un medniekiem atcerēties saules spektra krāsu izkārtojumu .. Tie ir mnemoniski noteikumi.

To pašu noteikumu izgudroja Ampère, lai noteiktu spēka virzienu uz vadītāju ar strāvu. To sauca par "peldētāja likumu". Mēs to nedodam, jo ​​tas arī bija neveiksmīgs un neiesakņojās. Bet strāvas virziens visos noteikumos paredzēja pozitīvi lādētu daļiņu kustību. (12)

Vēlāk Maksvels pielietoja arī šo kanonu, kurš nāca klajā ar likumu “korķviļķis” vai “gredzens”, lai noteiktu spoles magnētiskā lauka virzienu. Tas ir pazīstams katram studentam. Tomēr jautājums par strāvas patieso virzienu palika atklāts. Lūk, ko rakstīja Faraday: “Ja es teiktu. ka pašreizējā pāreja no pozitīvās vietas uz negatīvo ir tikai saskaņā ar tradicionālajiem, kaut arī zināmā mērā klusē zinātnieku vienošanās un nodrošināšana nemainīgi skaidri un noteikti līdzekļi šīs strāvas spēku virziena norādīšanai". (13. Mūsdienu slīpraksts. BH)

Pēc Faraday elektromagnētiskās indukcijas atklāšanas (strāvas indukcija vadītājā mainīgā magnētiskajā laukā) kļuva nepieciešams noteikt inducētās strāvas virzienu. Šo noteikumu deva izcils krievu fiziķis E. K. Lents. (14). Tas skan šādi: “Ja metāla vadītājs pārvietojas netālu no strāvas vai magnēta, tad tajā rodas galvaniskā strāva. Šīs strāvas virziens ir tāds, ka miera stāvoklī esošais vads nāk no tā kustībā, pretēji faktiskajai kustībai. " (15). Tas ir, noteikums nonāca līdz tipam “lūgt padomu un rīkoties pretēji”.

Noteikumus, kas pašreizējam skolas absolventam zināmi kā “kreisās rokas likums” un “labās rokas likums” galīgajā formā, ierosināja angļu fiziķis Flemings, un tie kalpo, lai VIENKĀRŠOT Fizisko parādību ATMINĒŠANU fiziķiem, studentiem un skolniekiem, nevis tos apmānīt.

Šie noteikumi tiek plaši ievadīti fizikas praksē un mācību grāmatās, un pēc elektronu atklāšanas būtu ļoti jāmaina, un ne tikai mācību grāmatās, ja tiktu norādīts patiesais strāvas virziens. Un šī konvencija dzīvo vairāk nekā pusotru gadsimtu. Sākumā tas neradīja grūtības, bet ar elektroniskās lampas izgudrošanu (ironiski, Flemings izgudroja pirmo radio cauruli) un plaši izplatot pusvadītājus, sāka rasties grūtības. Tāpēc fiziķi un elektronikas eksperti dod priekšroku nevis runāt par elektriskās strāvas virzieniem, bet gan par elektronu kustības virzieniem vai lādiņiem. Bet elektrotehnika joprojām darbojas pēc vecām definīcijām. Dažreiz tas rada neskaidrības. Varētu veikt pielāgojumus, bet vai tas radītu vairāk neērtību nekā esošie?