Elektrotechnikos paradokso istorija

Jei sudarysite elektros grandinę iš srovės šaltinio, energijos vartotojas ir juos jungiantys laidai, uždarykite jį, tada išilgai šios grandinės tekės elektros srovė. Protinga paklausti: „Ir kokia kryptimi?“ Elektrotechnikos teorinių pagrindų vadovėlyje pateiktas atsakymas: „Išorinėje grandinėje srovė teka nuo energijos šaltinio pliuso iki minuso, o šaltinio viduje nuo minuso iki pliuso“ (1).

Ar taip yra? Prisiminkite, kad elektros srovė yra nurodytas elektra įkrautų dalelių judėjimas. Metalų laidininkuose yra neigiamai įkrautos dalelės - elektronai. Bet elektronai išorinėje grandinėje juda priešingai nuo šaltinio minuso iki pliuso. Tai galima įrodyti labai paprastai. Pakanka įdėti elektroninę lempą - diodą aukščiau esančioje grandinėje. Jei lempos anodas yra teigiamai įkrautas, tada srovė grandinėje bus, jei ji yra neigiama, tada srovės nebus. Prisiminkite, kad priešingi mokesčiai traukia, o kaip mokesčiai atstumia. Todėl teigiamas anodas pritraukia neigiamus elektronus, bet ne atvirkščiai. Mes darome išvadą, kad elektros srovės krypčiai elektrotechnikos moksle jie eina priešinga kryptimi nei juda elektronai. (2)

Krypties, esančios priešinga esamai, pasirinkimo negalima pavadinti kitaip paradoksalia, tačiau šio neatitikimo priežastis galima paaiškinti, jei atsekime elektrotechnikos, kaip mokslo, raidos istoriją.

Tarp daugybės teorijų, kartais net anekdotinių, bandančių paaiškinti elektrinius reiškinius, atsiradusius mokslo apie elektrą aušroje, leiskite mums apsigyventi ties dviem pagrindiniais.

Amerikiečių mokslininkas B. Franklinas pateikė vadinamąją vieningą elektros energijos teoriją, pagal kurią elektrinės medžiagos yra tam tikras nesvarus skystis, kuris gali ištekėti iš vienų kūnų ir kauptis kituose. Anot Franklino, elektrinis skystis yra visuose kūnuose ir tampa elektrifikuotas tik tada, kai juose trūksta arba jo trūksta. Skysčio trūkumas reiškia neigiamą elektrifikaciją, o perteklius - teigiamą. Taigi atsirado teigiamo ir neigiamo krūvio samprata. (3) Kai teigiamai įkrauti kūnai yra sujungti su neigiamais kūnais, elektrinis skystis (skystis) pereina iš kūno su padidintu skysčio kiekiu į kūnus, kuriuose yra mažesnis kiekis. Kaip ir bendraujant induose. Ta pačia hipoteze į mokslą pateko ir elektros krūvių judėjimo koncepcija - elektros srovė. (4)

Franklino hipotezė pasirodė esanti labai vaisinga ir numatė elektroninę laidumo teoriją. Tačiau ji pasirodė toli gražu ne tobula. Faktas yra tas, kad prancūzų mokslininkas Dufe atrado, kad yra dviejų rūšių elektros energija, kuri, paklusdama kiekvienai atskirai Franklino teorijai, kontaktą neutralizavo. (5). Remiantis Dufe'o eksperimentais, Simmeris pateikė naują dualistinę elektros energijos teorijos atsiradimo priežastį. Keista, tačiau per daugelį dešimtmečių trukusių eksperimentų su elektra niekas nepastebėjo, kad trinant elektrifikuotus kūnus įkraunamas ne tik trinamas, bet ir trinamas kūnas. Priešingu atveju Simmerio hipotezė paprasčiausiai nebūtų atsiradusi. Bet tai, kad ji pasirodė, turi savo istorinį teisingumą. (6)

Dualistinė teorija manė, kad įprastos būsenos kūnuose yra dviejų rūšių SKIRTINGŲ kiekių elektriniai skysčiai, kurie neutralizuoja vienas kitą. Elektrifikacija buvo paaiškinta tuo, kad pasikeitė teigiamos ir neigiamos elektros santykis kūnuose. Nelabai aišku, bet reikėjo kažkaip paaiškinti tikruosius reiškinius.

Abi hipotezės sėkmingai paaiškino pagrindinius elektrostatinius reiškinius ir ilgą laiką konkuravo tarpusavyje. Istoriškai dualistinė teorija numatė joninę dujų ir tirpalų laidumo teoriją. (7)

1799 m. Išradus voltatinę kolonėlę ir vėliau atradus elektrolizės reiškinį, galima daryti išvadą, kad skysčių ir tirpalų elektrolizės metu jose pastebimos dvi priešingos krūvių judėjimo kryptys - teigiama ir neigiama. Dualistinė teorija triumfavo, nes skiliant, pavyzdžiui, vandeniui, buvo galima aiškiai pamatyti, kad ant teigiamo elektrodo sklinda deguonies burbuliukai, o neigiamame elektrode išsiskiria vandenilis. (8). Tačiau ne viskas čia vyko sklandžiai. Vandeniui suskylant, išmetamų dujų kiekis nebuvo vienodas. Vandenilis turėjo dvigubai daugiau deguonies. Tai suglumino. Kaip galėjo bet kuris dabartinis moksleivis, kuris žinojo, kad vandens molekulėje yra du vandenilio atomai (garsioji ashdvo), tačiau chemikai to dar nesugalvojo.

Negalima sakyti, kad šias teorijas suprato ne tik studentai, bet ir patys mokslininkai. Revoliucijos demokratas A.I. Herzenas, beje, Maskvos universiteto Fizikos ir matematikos fakulteto absolventas, rašė, kad šios hipotezės nepadeda ir netgi daro „baisią žalą studentams, suteikdamos jiems žodžius, o ne sąvokas, užmušdamos klausimą apgaulingu pasitenkinimu. „Kas yra elektra?“ - „Nesvarus skystis“. Ar nebūtų geriau, jei studentas atsakytų: „Aš nežinau“? “ (10). Vis dėlto Herzenas klydo. Iš tikrųjų šiuolaikinėje terminologijoje elektros srovė teka iš šaltinio pliuso į minusą ir nejuda jokiu kitu būdu, ir mes šiaip ar taip nesipykome.

Šimtai mokslininkų iš įvairių šalių atliko tūkstančius eksperimentų su voltos poliu, tačiau tik po dvidešimties metų danų mokslininkas Oerstedas atrado magnetinį elektros srovės veikimą. 1820 m. Buvo paskelbtas jo pranešimas, kuriame teigiama, kad laidininkas su srove turi įtakos magnetinės adatos rodmenims. Po daugybės eksperimentų jis pateikia taisyklę, pagal kurią galima nustatyti magnetinės adatos nukrypimo nuo srovės ar srovės kryptį magnetinės strėlės kryptimi. "Mes naudosime formulę: stulpas, kuris mato neigiamą elektros energiją, patenkančią virš savęs, nukrypsta į rytus". Taisyklė yra tokia miglota, kad šiuolaikinis raštingas žmogus ne iš karto sugalvoja, kaip ja naudotis, o ką jau kalbėti apie laiką, kai sąvokos dar nebuvo nustatytos.

Todėl Ampere'as savo darbe, kurį pristato Paryžiaus mokslų akademija, pirmiausia nusprendžia pasirinkti vieną iš srovių krypčių kaip pagrindinę, o tada pateikia taisyklę, pagal kurią galima nustatyti magnetų poveikį srovėms. Mes skaitome: „Kadangi aš turėčiau nuolat kalbėti apie dvi priešingas puses, kuriomis teka tiek elektra, tada, norėdama išvengti nereikalingų pasikartojimų, po žodžių„ ELEKTROS SRAUTOS Kryptis “aš visada turėsiu galvoje POZITYVIĄ elektrą“ Taigi pirmą kartą buvo įvesta visuotinai priimta krypties taisyklė. srovės. Iš tikrųjų iki elektrono atradimo buvo daugiau nei septyniasdešimt metų. (11).

Europoje 17–19 amžiuose MONEMONICS tapo plačiai paplitusi. arba įsiminimo menas, tai yra įvairių metodų sistema, palengvinanti įsiminimą, formuojant dirbtines asociacijas. Pavyzdžiui, poezija yra žinoma dėl to, kad prisimena PI skaičių - „Kas juokauja ir netrukus norės ...“, kuriems yra daugiau nei šimtas metų. Arba posakis apie fazanus ir medžiotojus, norint atsiminti saulės spektro spalvų išdėstymą .. Tai yra mnemoninės taisyklės.

Tą pačią taisyklę išrado Ampère, norėdama nustatyti jėgos, nukreiptos į laidininką su srove, kryptį. Ji buvo vadinama „plaukikų taisykle“. Mes jo neteikiame, nes jis taip pat buvo nesėkmingas ir neįsišaknijo. Bet srovės kryptis visose taisyklėse suponavo teigiamai įkrautų dalelių judėjimą. (12)

Vėliau Maxwellas taip pat laikėsi šio kanono, kuris sugalvojo „kamščiatraukio“ arba „gnybto“ taisyklę, kad nustatytų ritės magnetinio lauko kryptį. Tai pažįstama kiekvienam studentui. Tačiau klausimas apie tikrąją srovės kryptį liko atviras. Štai ką Faradayas parašė: „Jei sakau. kad srovė eina iš teigiamos vietos į neigiamą, tik sutinka su tradicine, nors tam tikra prasme tyli mokslininkų susitarimas ir jų teikimas nuolatinės aiškios ir apibrėžtos priemonės šios srovės jėgų krypčiai parodyti“. (13. Mūsų kursyvas. BH)

Faraday atradus elektromagnetinę indukciją (indukuojant srovę laidininkui keičiant magnetinį lauką), reikėjo nustatyti indukuotos srovės kryptį. Šią taisyklę davė puikus Rusijos fizikas E. K. Lentsas. (14). Jame rašoma: „Jei metalinis laidininkas juda šalia srovės ar magneto, tada jame atsiranda galvaninė srovė. Šios srovės kryptis tokia, kad viela ramybėje judėtų iš jos, priešingai nei tikrasis judėjimas “. (15). T. y., Taisyklė nusileido tipui „klausk patarimo ir daryk priešingai“.

Taisykles, kurios dabartiniam mokyklos absolventui žinomos kaip „kairiosios rankos taisyklė“ ir „dešinės rankos taisyklė“ galutinėje formoje, pasiūlė anglų fizikas Flemingas ir jos padeda paprasčiau paaiškinti fizinio reiškinio įsimenimą fizikams, studentams ir moksleiviams, o ne juos apgaudinėti.

Šios taisyklės yra plačiai įtrauktos į fizikos praktiką ir vadovėlius, o atradus elektroną labai reiktų pakeisti, ir ne tik vadovėliuose, jei būtų nurodyta tikroji srovės kryptis. Ši konvencija gyvena daugiau nei pusantro amžiaus. Iš pradžių tai nesudarė sunkumų, tačiau išradus elektroninę lempą (ironiškai Flemingas išrado pirmąjį radijo vamzdį) ir plačiai panaudojant puslaidininkius, pradėjo kilti sunkumų. Todėl fizikai ir elektronikos ekspertai nori ne kalbėti apie elektros srovės kryptis, o apie elektronų judėjimo kryptis ar krūvius. Tačiau elektrotechnika vis dar veikia pagal senus apibrėžimus. Kartais tai sukelia painiavą. Galima būtų atlikti pakeitimus, tačiau ar tai sukeltų daugiau nepatogumų nei esami?