Historia paradoksu elektrotechniki

Jeśli skomponujesz obwód elektryczny ze źródła prądu, odbiornika energii i łączących je przewodów, zamknij go, a następnie popłynie prąd elektryczny wzdłuż tego obwodu. Rozsądne jest pytanie: „I w jakim kierunku?” Podręcznik na temat teoretycznych podstaw elektrotechniki daje odpowiedź: „W obwodzie zewnętrznym prąd płynie z plusa źródła energii do minusa, a we wnętrzu źródła od minusa do plusa” (1).

Czy tak jest Przypomnij sobie, że prąd elektryczny jest uporządkowanym ruchem elektrycznie naładowanych cząstek. Te w metalowych przewodnikach to ujemnie naładowane cząstki - elektrony. Ale elektrony w obwodzie zewnętrznym poruszają się dokładnie odwrotnie od minus źródła do plusu. Można to udowodnić bardzo prosto. Wystarczy umieścić lampę elektroniczną - diodę w powyższym obwodzie. Jeśli anoda lampy zostanie naładowana dodatnio, wówczas prąd w obwodzie będzie, jeśli jest ujemny, wówczas nie będzie prądu. Przypomnij sobie, że przeciwne ładunki przyciągają się i podobne ładunki odpychają. Dlatego dodatnia anoda przyciąga elektrony ujemne, ale nie odwrotnie. Dochodzimy do wniosku, że w kierunku prądu elektrycznego w nauce elektrotechniki przyjmują one kierunek przeciwny do ruchu elektronów. (2)

Wyboru kierunku przeciwnego do istniejącego nie można nazwać inaczej paradoksalnym, ale przyczyny takiej rozbieżności można wyjaśnić, jeśli prześledzimy historię rozwoju elektrotechniki jako nauki.

Spośród wielu teorii, czasem nawet anegdotycznych, próbujących wyjaśnić zjawiska elektryczne, które pojawiły się u zarania nauki o elektryczności, zastanówmy się nad dwoma głównymi.

Amerykański naukowiec B. Franklin wysunął tak zwaną jednolitą teorię elektryczności, zgodnie z którą materia elektryczna jest rodzajem nieważkiej cieczy, która może wyciec z niektórych ciał i gromadzić się w innych. Według Franklina płyn elektryczny jest zawarty we wszystkich ciałach i zostaje zelektryfikowany tylko wtedy, gdy jest w nich brak lub nadmiar płynu elektrycznego. Brak płynu oznacza ujemną elektryfikację, nadmiar oznacza dodatnią. Pojawiła się koncepcja ładunku dodatniego i ujemnego. (3) Gdy ciała naładowane dodatnio są połączone z ciałami ujemnymi, płyn elektryczny (płyn) przechodzi z ciała o zwiększonej ilości płynu do ciał o zmniejszonej ilości. Jak w łączących się jednostkach pływających. Przy tej samej hipotezie pojęcie ruchu ładunków elektrycznych - prądu elektrycznego - weszło do nauki. (4)

Hipoteza Franklina okazała się bardzo owocna i przewidywała elektroniczną teorię przewodzenia, jednak okazała się daleka od ideału. Faktem jest, że francuski naukowiec Dufe odkrył, że istnieją dwa rodzaje elektryczności, które, postępując zgodnie z każdą teorią Franklina, neutralizowały się nawzajem po kontakcie. (5). Powód pojawienia się nowej dualistycznej teorii elektryczności, wysuniętej przez Simmera na podstawie eksperymentów Dufe, był prosty. Zaskakujące jest to, że w ciągu wielu dziesięcioleci eksperymentów z elektrycznością nikt nie zauważył, że podczas wcierania naelektryzowanych ciał ładowane są nie tylko potarte, ale także ocierające się ciała. W przeciwnym razie hipoteza Simmera po prostu by się nie pojawiła. Ale fakt, że się pojawiła, ma własną historyczną sprawiedliwość. (6)

W dualistycznej teorii uważano, że w ciałach o zwykłym stanie dwa rodzaje płynów elektrycznych są zawarte w RÓŻNYCH ilościach, neutralizując się nawzajem. Elektryfikację wyjaśniono faktem, że zmienił się stosunek dodatniej i ujemnej elektryczności w ciałach. Nie jest to bardzo jasne, ale trzeba było jakoś wyjaśnić rzeczywiste zjawiska.

Obie hipotezy z powodzeniem wyjaśniły główne zjawiska elektrostatyczne i przez długi czas konkurowały ze sobą. Historycznie dualistyczna teoria antycypowała jonową teorię przewodnictwa gazów i roztworów. (7)

Wynalezienie kolumny woltowej w 1799 r. I późniejsze odkrycie zjawiska elektrolizy pozwoliło stwierdzić, że podczas elektrolizy cieczy i roztworów obserwowane są w nich dwa przeciwne kierunki ruchu ładunków - dodatni i ujemny. Teoria dualistyczna zatriumfowała, ponieważ podczas rozkładu np. Wody wyraźnie widać, że bąbelki tlenu są emitowane na elektrodzie dodatniej, a wodór jest uwalniany na elektrodzie ujemnej. (8). Jednak nie wszystko było tu gładkie. Podczas rozkładu wody ilość emitowanych gazów nie była taka sama. Wodór miał dwa razy więcej tlenu. To zaskoczyło. Jak mogliby to zrobić obecne dzieci w wieku szkolnym, które wiedziały, że w cząsteczce wody znajdują się dwa atomy wodoru (słynna ashdvo), ale chemicy jeszcze tego nie wymyślili.

Nie można powiedzieć, że teorie te były rozumiane nie tylko przez studentów, ale także przez samych naukowców. Rewolucyjny Demokrata A.I. Nawiasem mówiąc, Herzen, absolwent Wydziału Fizyki i Matematyki Uniwersytetu Moskiewskiego, napisał, że te hipotezy nie pomagają, a nawet „wyrządzają straszną szkodę studentom, podając im słowa zamiast pojęć, zabijając pytanie z fałszywą satysfakcją. „Co to jest elektryczność?” - „Ciecz nieważka”. Czy nie byłoby lepiej, gdyby uczeń odpowiedział: „Nie wiem”? (10). Mimo to Herzen się mylił. Rzeczywiście, we współczesnej terminologii prąd elektryczny płynie od plusa do minusa źródła i nie porusza się w żaden inny sposób, i wcale nas to nie denerwuje.

Setki naukowców z różnych krajów przeprowadziło tysiące eksperymentów z biegunem woltowym, ale zaledwie dwadzieścia lat później duński naukowiec Oersted odkrył magnetyczne działanie prądu elektrycznego. W 1820 r. Opublikowano jego przesłanie stwierdzające, że prąd z przewodnikiem wpływa na odczyty igły magnetycznej. Po licznych eksperymentach podaje regułę, według której można określić kierunek odchylenia igły magnetycznej od prądu lub prądu od kierunku strzałki magnetycznej. „Zastosujemy formułę: biegun, który widzi, że ujemna energia elektryczna wpada ponad siebie, odchyla się na wschód”. Zasada jest tak niejasna, że ​​współczesna osoba piśmienna nie od razu wymyśla, jak z niej korzystać, ale co z czasem, gdy pojęcia nie zostały jeszcze ustalone.

Dlatego Ampere w swojej pracy przedstawionej przez Paris Academy of Sciences najpierw decyduje się przyjąć jeden z kierunków prądów jako główny, a następnie podaje zasadę, według której można określić wpływ magnesów na prądy. Czytamy: „Ponieważ musiałbym ciągle rozmawiać o dwóch przeciwnych kierunkach, w których przepływa oba prądy elektryczne, aby uniknąć niepotrzebnych powtórzeń, po słowach KIERUNEK PRĄDU ELEKTRYCZNEGO zawsze będę miał na myśli POZYTYWNĄ elektryczność”. Tak więc po raz pierwszy wprowadzono ogólnie przyjętą zasadę kierunku obecny. Rzeczywiście, zanim odkrycie elektronu trwało ponad siedemdziesiąt lat. (11).

W XVII-XIX wieku w Europie MONEMONICS stał się powszechny. lub sztuka zapamiętywania, to znaczy system różnych technik, które ułatwiają zapamiętywanie poprzez tworzenie sztucznych skojarzeń. Na przykład wiersze są znane z pamiętania liczby PI - „Kto żartuje i wkrótce będzie chciał…”, które mają ponad sto lat. Lub powiedzenie o bażantach i myśliwych, aby pamiętać o rozmieszczeniu kolorów widma słonecznego. Są to mnemoniczne reguły.

Ta sama zasada została wymyślona przez Ampère'a w celu określenia kierunku sił na przewodniku z prądem. Nazywało się to „zasadą pływaka”. Nie dajemy tego, ponieważ to również nie powiodło się i nie zakorzeniło się. Ale kierunek prądu we wszystkich regułach implikował ruch dodatnio naładowanych cząstek. (12)

Później Maxwell przestrzegał również tego kanonu, który wymyślił zasadę „korkociągu” lub „świdra”, aby określić kierunek pola magnetycznego cewki. Jest znany każdemu uczniowi. Kwestia prawdziwego kierunku prądu pozostała jednak otwarta. Oto, co napisał Faraday: „Jeśli powiem. że prąd zmienia się z pozytywnego na negatywny, jest tylko zgodny z tradycyjnym, choć do pewnego stopnia cicho porozumienie między naukowcami i ich zapewnianie stałe jasne i określone środki do wskazywania kierunku sił tego prądu„. (13. Kursywa nasza. BH)

Po odkryciu indukcji elektromagnetycznej przez Faradaya (indukującego prąd w przewodniku w zmieniającym się polu magnetycznym) konieczne stało się określenie kierunku prądu indukowanego. Zasada ta została podana przez wybitnego rosyjskiego fizyka E.Kh. Lents. (14). Czyta: „Jeśli metalowy przewodnik porusza się w pobliżu prądu lub magnesu, wówczas powstaje w nim prąd galwaniczny. Kierunek tego prądu jest taki, że drut w spoczynku będzie pochodził z niego w ruchu, przeciwnie do rzeczywistego ruchu. ” (15). Oznacza to, że reguła sprowadza się do typu „prosić o radę i postępować odwrotnie”.

Reguły znane obecnemu absolwentowi szkoły jako „reguła lewej ręki” i „reguła prawej ręki” w ostatecznej formie zostały zaproponowane przez angielskiego fizyka Fleminga i służą UŁATWIENIU PAMIĘCI zjawiska fizycznego fizykom, studentom i uczniom, a nie ich oszukiwać.

Reguły te są szeroko stosowane w praktyce i podręcznikach fizyki, a po odkryciu elektronu bardzo wiele musiałoby ulec zmianie, i to nie tylko w podręcznikach, gdyby wskazano prawdziwy kierunek prądu. A ta konwencja trwa ponad półtora wieku. Początkowo nie powodowało to trudności, ale wraz z wynalezieniem lampy elektronicznej (jak na ironię Fleming wynalazł pierwszą lampę radiową) i powszechnym zastosowaniem półprzewodników, zaczęły pojawiać się trudności. Dlatego fizycy i eksperci elektroniki wolą nie mówić o kierunkach prądu elektrycznego, ale o kierunkach ruchu elektronów lub ładunków. Ale elektrotechnika nadal działa według starych definicji. Czasami powoduje to zamieszanie. Można wprowadzić korekty, ale czy spowodowałoby to więcej niedogodności niż te istniejące?