Sähkötekniikan paradoksin historia

Jos sävelet sähköpiirin virtalähteestä, energian kuluttaja ja niitä yhdistävät johdot, sulje se, niin sähkövirta virtaa tätä piiriä pitkin. On kohtuullista kysyä: "Ja mihin suuntaan?" Sähkötekniikan teoreettisia perusteita käsittelevä oppikirja antaa vastauksen: ”Ulkopiirissä virta virtaa energialähteen plussta miinus-arvoon, ja lähteen sisäpuolella miinus-plus: iin” (1).

Onko niin? Muista, että sähkövirta on sähköisesti varautuneiden hiukkasten määrätty liike. Metallijohtimissa olevat ovat negatiivisesti varautuneita hiukkasia - elektroneja. Mutta ulkoisen piirin elektronit liikkuvat juuri päinvastoin lähteen miinuspisteestä plus: iin. Tämä voidaan todistaa hyvin yksinkertaisesti. Riittää, kun laitat elektronisen lampun - diodin yllä olevaan piiriin. Jos lampun anodi on positiivisesti varautunut, niin virta piirissä on, jos se on negatiivinen, silloin ei ole virtaa. Muista, että vastakkaiset lataukset houkuttelevat, ja kuten lataukset torjuvat. Siksi positiivinen anodi houkuttelee negatiivisia elektroneja, mutta ei päinvastoin. Päätelmämme on, että sähkövirran suunnassa sähkötekniikan tieteessä ne ottavat elektronien liikettä vastakkaisen suunnan. (2)

Nykyistä vastakkaisen suunnan valintaa ei voida kutsua muuten paradoksaaliseksi, mutta syyt tällaiseen poikkeavuuteen voidaan selittää, jos jäljitämme sähkötekniikan kehityksen historia tieteenä.

Lukuisten teorioiden joukosta, joskus jopa anekdoottisia, yritetään selittää sähköalan ilmiöitä, jotka ilmestyivät sähkön tieteen alkaessa, pitäkäämme kiinni kahdesta pääperiaatteesta.

Amerikkalainen tutkija B. Franklin esitti ns. Yhtenäisen sähkönteorian, jonka mukaan sähköaine on eräänlainen painoton neste, joka voi virtata joistakin kappaleista ja kerätä toisiin. Franklinin mukaan sähköinen neste sisältyy kaikkiin vartaloihin, ja se sähköistyy vasta, kun niissä on puutetta tai ylimääräistä sähkönestettä. Nesteen puute tarkoittaa negatiivista sähköistymistä, ylimäärä tarkoittaa positiivista. Joten positiivisen ja negatiivisen varauksen käsite ilmestyi. (3) Kun positiivisesti varautuneita kappaleita yhdistetään negatiivisiin kappaleisiin, sähköinen neste (neste) kulkee kehosta, jolla on lisääntynyt määrä nestettä, kappaleisiin, joissa on pienempi määrä. Kuten alusten kommunikoinnissa. Samalla hypoteesilla sähkölatausten liikkuvuus - sähkövirta - tuli tieteeseen. (4)

Franklinin hypoteesi osoittautui erittäin hedelmälliseksi ja ennakoi sähköistä johtajuusteoriaa. Kuitenkin se osoittautui kaukana täydellisyydestä. Tosiasia on, että ranskalainen tutkija Dufe huomasi, että on olemassa kahta tyyppiä sähköä, jotka noudattaen kutakin yksilöllisesti Franklinin teoriaa, neutralisoivat toisiaan kosketuksessa. (5). Syynä uuden dualistisen sähkön teorian syntyyn, jonka Simmer esitti Dufen kokeiden perusteella, oli yksinkertainen. Yllättäen, monien vuosikymmenien kokeilujen aikana sähköllä ei kukaan huomannut, että hieroessaan sähköistettyjä kappaleita ei vain hiero, vaan myös hierova kappale on varautunut. Muuten Simmer-hypoteesia ei yksinkertaisesti olisi ilmestynyt. Mutta sillä, että hän ilmestyi, on oma historiallinen oikeudenmukaisuutensa. (6)

Dualistinen teoria uskoi, että normaaleissa olosuhteissa on kahdenlaisia ​​sähköisiä nesteitä ERITTÄIN suurina määrinä, jotka neutraloivat toisiaan. Sähköistys selitettiin sillä, että ruumiissa positiivisen ja negatiivisen sähkön suhde muuttui. Se ei ole kovin selvää, mutta oli tarpeen selittää jotenkin todelliset ilmiöt.

Molemmat hypoteesit selittivät onnistuneesti tärkeimmät sähköstaattiset ilmiöt ja kilpailivat pitkään toistensa kanssa. Historiallisesti dualistinen teoria ennusti ionista teoriaa kaasujen ja liuosten johtavuudesta. (7)

Voltaattisen pylvään keksintö vuonna 1799 ja myöhempi elektrolyysin ilmiön löytäminen tekivät mahdolliseksi päätellä, että nesteiden ja liuosten elektrolyysin aikana niissä havaitaan kaksi vastakkaista varausten liikkumisen suuntaa - positiivinen ja negatiivinen. Dualistinen teoria voitti, koska esimerkiksi veden hajoamisen aikana voitiin selvästi nähdä, että positiiviset elektrodit vapauttavat happikuplia ja negatiivinen elektrodi vapauttaa vetyä. (8). Kaikki ei kuitenkaan ollut täällä sujuvaa. Veden hajoamisen aikana päästökaasujen määrä ei ollut sama. Vetyssä oli kaksi kertaa enemmän happea. Tämä hämmentyi. Kuinka kukaan nykyinen koululainen, joka tiesi, että vesimolekyylin vesimolekyylissä on kaksi vetyatomia (kuuluisa ashdvo), mutta kemistit eivät ole vielä keksineet tätä.

Ei voida sanoa, että opiskelijat ymmärtäisivät nämä teoriat myös tutkijat itse. Vallankumouksellinen demokraatti A.I. Herzen, muuten, Moskovan yliopiston fysiikan ja matematiikan tiedekunnan tutkinnon suorittanut, kirjoitti, että nämä hypoteesit eivät auta, ja jopa “aiheuttavat kauheaa haittaa opiskelijoille antamalla heille sanoja käsitteiden sijaan, tappaen kysymyksen väärän tyytyväisyyden avulla. "Mikä on sähkö?" - ”painoton neste”. Eikö olisi parempi, jos opiskelija vastaisi: "En tiedä."? " (10). Silti Herzen oli väärässä. Tosiaankin, nykyaikaisessa terminologiassa, sähkövirta virtaa lähteen plussta miinus -kohtaan eikä liiku millään muulla tavalla, emmekä ole ollenkaan järkyttyneitä tästä.

Sadat tutkijat eri maista tekivät tuhansia kokeita voltin navalla, mutta vasta kaksikymmentä vuotta myöhemmin tanskalainen tutkija Oersted löysi sähkövirran magneettisen vaikutuksen. Vuonna 1820 julkaistiin hänen viestinsä, jonka mukaan virtajohdin vaikuttaa magneettineulan lukemiin. Lukuisten kokeiden jälkeen hän antaa säännön, jonka avulla voit määrittää magneettineulan suunnan poikkeaman suunnan virrasta tai virran magneettisen nuolen suunnasta. "Käytämme kaavaa: napa, joka näkee negatiivisen sähkön menevän itsensä yläpuolelle, poikkeaa itään." Sääntö on niin epämääräinen, että nykyaikainen lukutaitoinen ihminen ei heti selvittää, miten sitä käytetään, mutta entä siitä, kun käsitteitä ei ole vielä vahvistettu.

Siksi Ampere päättää Pariisin tiedeakatemian teoksessaan ensin ottaa yhden virran suunnista päävirran ja antaa sitten säännön, jonka avulla voidaan määrittää magneettien vaikutus virroihin. Luimme: ”Koska minun piti jatkuvasti puhua kahdesta vastakkaisesta suunnasta, joissa molemmat virtaavat, niin tarpeettomien toistojen välttämiseksi tarkoitan sanan SÄHKÖvirran suuntauksen jälkeen aina Positiivista sähköä.” Näin ollen yleisesti hyväksytty suuntasääntö otettiin ensin käyttöön. nykyinen. Ennen elektronin löytämistä oli todellakin yli seitsemänkymmentä vuotta. (11).

MONEMONICS levisi Euroopassa 17 - 19 vuosisatojen aikana. tai muistamistaito, se on, järjestelmä eri tekniikoista, jotka helpottavat muistamista keinotekoisten assosiaatioiden muodostumisen kautta. Esimerkiksi runojen tiedetään muistavan yli sata vuotta vanhojen PI-lukumäärän - "Kuka vitsailee ja toivoo pian ...". Tai sanonta fasaaneista ja metsästäjistä muistaaksesi aurinkospektrin värien järjestelyn. Nämä ovat muismonisia sääntöjä.

Ampère keksi saman säännön virran suuntaamiseksi johtimessa. Sitä kutsuttiin "uimareiden sääntöksi". Emme anna sitä, koska se oli myös epäonnistunut eikä juurtunut. Mutta virran suunta kaikissa säännöissä merkitsi positiivisesti varautuneiden hiukkasten liikettä. (12)

Myöhemmin Maxwell liittyi myös tähän kaanoniin, joka keksi ”korkkiruuvi” tai ”koristekiinnike” -säännön kelan magneettikentän suunnan määrittämiseksi. Se on tuttu jokaiselle opiskelijalle. Kysymys virran todellisesta suunnasta pysyi kuitenkin avoimena. Tässä on mitä Faraday kirjoitti: ”Jos sanon. Se, että virta siirtyy positiivisesta kohdasta negatiiviseen, on vain sopusoinnussa perinteisen kanssa, vaikkakin jossain määrin hiljainen tutkijoiden välinen sopimus ja tarjoaminen heille vakio, selkeä ja varma keino osoittaa tämän virran voimien suunta". (13. Kursiivimme. BH)

Sen jälkeen kun Faraday löysi sähkömagneettisen induktion (indusoi virran johtimessa muuttuvassa magneettikentässä), tuli tarpeen määrittää indusoidun virran suunta. Tämän säännön antoi erinomainen venäläinen fyysikko E.Kh. Lents. (14). Se kuuluu: ”Jos metallijohdin liikkuu lähellä virtaa tai magneettia, niin siihen syntyy galvaaninen virta. Tämän virran suunta on sellainen, että lepovaijeri liikkuu siitä, vastapäätä todellista liikettä. " (15). Toisin sanoen sääntö tuli tyyppiin "kysy neuvoa ja tee päinvastoin".

Englantilainen fyysikko Fleming ehdotti sääntöjä, jotka nykyisen korkeakoulututkinnon suorittaneiksi tunnetaan nimellä "vasemman käden sääntö" ja "oikean käden sääntö" lopullisessa muodossa, ja niiden tarkoituksena on yksinkertaistaa fyysisen ilmiön muistamista fyysikoille, opiskelijoille ja koululaisille, eikä huijata heitä.

Nämä säännöt otetaan laajasti käyttöön fysiikan käytännössä ja oppikirjoissa, ja elektronin löytämisen jälkeen jouduttaisiin muuttamaan paljon, eikä vain oppikirjoissa, jos virran todellinen suunta ilmoitettaisiin. Ja tämä yleissopimus elää yli puolitoista vuosisataa. Aluksi se ei aiheuttanut vaikeuksia, mutta elektronisen lampun keksinnöllä (ironisesti Fleming keksi ensimmäisen radion putken) ja puolijohteiden laajan käytön kanssa alkoi ilmaantua vaikeuksia. Siksi fyysikot ja elektroniikan asiantuntijat eivät mieluummin puhu sähkövirran suunnista, vaan elektronien liikesuunnista tai varauksista. Mutta sähkötekniikka toimii edelleen vanhoilla määritelmillä. Joskus tämä aiheuttaa sekaannusta. Säätöjä voitaisiin tehdä, mutta aiheuttaisiko se enemmän haittaa kuin nykyiset?