Gdzie płynie prąd?

Prąd elektryczny powstaje w obwodzie elektrycznym zawierającym źródło prądu i odbiorcę energii elektrycznej. Ale w jakim kierunku występuje ten prąd? Tradycyjnie uważa się, że w obwodzie zewnętrznym prąd ma kierunek od plusu źródła do minus, podczas gdy wewnątrz źródła zasilania jest od minus do plusu.

Rzeczywiście, prąd elektryczny jest uporządkowanym ruchem elektrycznie naładowanych cząstek. Jeśli przewodnik jest wykonany z metalu, cząstki te są elektronami - cząstkami naładowanymi ujemnie. Jednak w obwodzie zewnętrznym elektrony poruszają się dokładnie od minus (biegun ujemny) do plus (biegun dodatni), a nie od plus do minus.

Jeśli jest zawarty w obwodzie zewnętrznym dioda półprzewodnikowa, stanie się jasne, że prąd jest możliwy tylko wtedy, gdy dioda jest połączona przez katodę w kierunku ujemnym. Z tego wynika, że ​​kierunek przeciwny do rzeczywistego ruchu elektronów przyjmuje się za kierunek prądu elektrycznego w obwodzie.

Jeśli prześledzimy historię powstawania elektrotechniki jako niezależnej nauki, możemy zrozumieć, skąd się wzięło takie paradoksalne podejście.

Amerykański badacz Benjamin Franklin przedstawił w swoim czasie jednolitą (zunifikowaną) teorię elektryczności. Zgodnie z tą teorią materia elektryczna jest nieważką cieczą, która może wypływać z niektórych ciał, a gromadzić się w innych.

Według Franklina we wszystkich ciałach znajduje się płyn elektryczny, ale ciała elektryzują się tylko wtedy, gdy występuje w nich nadmiar lub brak płynu elektrycznego (płynu elektrycznego). Brak płynu elektrycznego (według Franklina) oznaczał ujemną elektryfikację, a nadmiar - dodatnią.

To był początek koncepcji ładunków dodatnich i ujemnych. W momencie połączenia dodatnio naładowanych ciał z ciałami ujemnie naładowanymi płyn elektryczny przepływa z korpusu z dużą ilością płynu elektrycznego do korpusów z jego zmniejszoną ilością. Jest to podobne do systemu komunikacji statków. Stabilna koncepcja prądu elektrycznego, ruch ładunków elektrycznych, weszła do nauki.

Ta hipoteza Franklina poprzedza elektroniczną teorię przewodzenia, ale okazała się daleka od ideału. Francuski fizyk Charles Dufe odkrył, że w rzeczywistości istnieją dwa rodzaje elektryczności, które indywidualnie są zgodne z teorią Franklina, ale są wzajemnie neutralizowane przy kontakcie. Pojawiła się nowa dualistyczna (podwójna) teoria elektryczności, wysunięta przez przyrodnika Roberta Simmera na podstawie eksperymentów Charlesa Dufe.

Podczas wcierania, w celu zelektryfikowania, zelektryfikowane ciała, nie tylko pociera się ciało, ale także pociera się ciało. Teoria dualistyczna twierdziła, że ​​w zwykłym stanie ciała zawierały dwa rodzaje płynów elektrycznych oraz w różnych ilościach, które się neutralizują. Elektryfikację wyjaśniono zmianą stosunku ujemnej i dodatniej elektryczności w naelektryzowanych ciałach.

Zarówno hipoteza Franklina, jak i hipoteza Simmera z powodzeniem wyjaśniały zjawiska elektrostatyczne, a nawet konkurowały ze sobą.

Wynaleziony w 1799 roku przez woltowy biegun i odkrycie zjawiska elektrolizy doprowadził do wniosku, że podczas elektrolizy roztworów i płynów w nich występują dwa przeciwne ładunki w kierunku ruchu ładunków - ujemne i dodatnie. Był to triumf dualistycznej teorii, ponieważ kiedy woda uległa rozkładowi, można było teraz zaobserwować, jak bąbelki tlenu uwalniają się na elektrodzie dodatniej, podczas gdy wodór jest uwalniany na elektrodzie ujemnej.

Ale nie wszystko tu było gładkie. Ilość emitowanych gazów okazała się inna. Wodór został uwolniony dwukrotnie bardziej niż tlen.To zaskoczyło fizyków. Wtedy chemicy nie mieli pojęcia, że ​​w cząsteczce wody są dwa atomy wodoru i tylko jeden atom tlenu.

Teorie te nie były zrozumiałe dla wszystkich.

Ale w 1820 roku Andre-Marie Ampère w artykule przedstawionym członkom paryskiej Akademii Nauk najpierw decyduje się wybrać jeden z aktualnych kierunków jako główny, ale następnie podaje zasadę, zgodnie z którą możliwe jest dokładne określenie wpływu magnesów na prądy elektryczne.

Aby nie mówić cały czas o dwóch przeciwnych prądach dwóch prądów elektrycznych, aby uniknąć niepotrzebnych powtórzeń, Ampere postanowił ściśle obrać kierunek ruchu dodatniej elektryczności jako kierunek prądu elektrycznego. Tak więc, po raz pierwszy przez Ampere, jak dotąd wprowadzono ogólnie przyjętą zasadę kierunku prądu elektrycznego.

Później sam Maxwell zastosował się do tej pozycji, wymyślając zasadę „świdra”, która określa kierunek pola magnetycznego cewki. Ale pytanie o prawdziwy kierunek prądu elektrycznego pozostało otwarte. Faraday napisał, że ten stan rzeczy jest jedynie warunkowy, jest wygodny dla naukowców i pomaga im jasno określić kierunek prądów. Ale to tylko wygodne narzędzie.

Po odkryciu przez Faradaya indukcji elektromagnetycznej konieczne stało się określenie kierunku prądu indukowanego. Rosyjski fizyk Lenz podał zasadę: jeśli metalowy przewodnik porusza się w pobliżu prądu lub magnesu, wówczas powstaje w nim prąd galwaniczny. Kierunek powstającego prądu jest taki, że drut stały będzie wychodził z jego działania w ruch przeciwny do początkowego przemieszczenia. Prosta, łatwa do zrozumienia zasada.

Nawet po odkryciu elektronu konwencja ta istnieje od ponad półtora wieku. Wraz z wynalezieniem urządzenia, takiego jak lampa elektroniczna, z powszechnym wprowadzeniem półprzewodników zaczęły pojawiać się trudności. Ale elektrotechnika, jak poprzednio, działa na starych definicjach. Czasami powoduje to prawdziwe zamieszanie. Ale wprowadzanie korekt spowoduje więcej niedogodności.

Czytaj także:Okablowanie i orurowanie: analogie i różnice