Missä sähkö virtaa?

Sähkövirta syntyy sähköpiiristä, joka sisältää virran lähteen ja sähkön kuluttajan. Mutta mihin suuntaan tämä virta esiintyy? Perinteisesti uskotaan, että ulkoisessa piirissä virralla on suunta lähteen plussta miinus-arvoon, kun taas virtalähteen sisällä se on miinus-plus-arvoon.

Itse asiassa sähkövirta on sähköisesti varautuneiden hiukkasten määrätty liike. Jos johdin on valmistettu metallista, nämä hiukkaset ovat elektroneja - negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Kuitenkin ulkoisessa piirissä elektronit liikkuvat tarkalleen miinus (negatiivinen napa) plus (positiivinen napa), eivät plus ja miinus.

Jos mukana ulkoisessa piirissä puolijohdediodi, tulee selväksi, että virta on mahdollista vain, kun katodi on kytkenyt diodin miinus-suuntaan. Tästä seuraa, että suunta, joka on vastakkainen elektronien todelliselle liikkeelle, pidetään piirissä olevan sähkövirran suunnana.

Jos jäljitämme sähkötekniikan muodostumisen historia itsenäisenä tieteenä, voimme ymmärtää mistä tällainen paradoksaalinen lähestymistapa tuli.

Amerikkalainen tutkija Benjamin Franklin esitti omalla ajallaan yhtenäisen (yhtenäisen) sähkön teorian. Tämän teorian mukaan sähköaine on painoton neste, joka voi virtata joistakin kappaleista, samalla kun se kerääntyy toisiin.

Franklinin mukaan kaikissa ruumiissa on sähköinen neste, mutta ruumiit sähköistyvät vasta, kun niissä on ylimääräistä tai puuttuvaa sähköistä nestettä (sähkönestettä). Sähköisen nesteen puute (Franklinin mukaan) tarkoitti negatiivista sähköistystä ja ylimäärä - positiivista.

Tämä oli alku positiivisen varauksen ja negatiivisen varauksen käsitteille. Positiivisesti varautuneiden kappaleiden kytkentähetkellä negatiivisesti varautuneisiin kappaleisiin sähköneste virtaa kappaleesta, jossa on suuri määrä sähkönestettä, kappaleisiin, joissa on pienempi määrä sitä. Tämä on samanlainen kuin alusten välinen viestintäjärjestelmä. Vakaa sähkövirran käsite, sähkövarausten liike, on tullut tieteeseen.

Tämä Franklinin hypoteesi edelsi sähköistä johtajuusteoriaa, mutta se osoittautui kaukana täydellisyydestä. Ranskalainen fyysikko Charles Dufe havaitsi, että todellisuudessa on olemassa kahta tyyppiä sähköä, jotka tottelevat erikseen Franklinin teoriaa, mutta ovat vastavuoroisesti neutraloituja kosketuksessa. Ilmestyi uusi dualistinen (kaksinkertainen) sähkön teoria, jonka luonnontieteilijä Robert Simmer esitti Charles Dufen kokeiden perusteella.

Hieroessa sähköistyneiden kappaleiden sähköistämiseksi paitsi hierottu kappale, myös hierottu kappale latautuu. Dualistinen teoria väitti, että tavanomaisessa tilassa ruumiit sisälsivät kahdentyyppisiä sähkönesteitä ja eri määrissä, jotka neutraloivat toisiaan. Sähköistys selitettiin muutoksella negatiivisen ja positiivisen sähkön suhteessa sähköistetyissä kappaleissa.

Sekä Franklinin hypoteesi että Simmerin hypoteesi selittivät sähköstaattiset ilmiöt onnistuneesti ja kilpailivat jopa keskenään.

Keksitty vuonna 1799 volttinavalla ja löytöllä elektrolyysi-ilmiöt johti siihen johtopäätökseen, että liuosten ja nesteiden elektrolyysin aikana varausten liikesuunnassa on kaksi vastakkaista varausta - negatiivinen ja positiivinen. Tämä oli dualistisen teorian voitto, koska kun vesi hajosi, nyt oli mahdollista tarkkailla, kuinka happikuplat vapautuivat positiivisella elektrodilla, kun taas vety vapautui negatiivisella elektrodilla.

Mutta kaikki ei ollut täällä sujuvaa. Päästökaasujen määrä osoittautui erilaiseksi. Vetyä vapautui kaksi kertaa enemmän kuin happea.Tämä hämmentynyt fyysikko. Sitten kemisteillä ei ollut aavistustakaan siitä, että vesimolekyylissä on kaksi vetyatomia ja vain yksi happiatomi.

Kaikki eivät ymmärtäneet näitä teorioita.

Mutta vuonna 1820 Andre-Marie Ampère, Pariisin tiedeakatemian jäsenille esitetyssä asiakirjassa, päättää ensin valita yhden virran suunnista päävirran, mutta antaa sitten säännön, jonka mukaan on mahdollista tarkistaa magneettien vaikutus sähkövirroihin.

Jotta ei puhuta koko ajan kahden sähkövirran kahdesta vastakkaisesta virrasta ja tarpeettomien toistojen välttämiseksi, Ampere päätti hyväksyä tiukasti positiivisen sähkön liikesuunnan sähkövirran suunnana. Joten Ampere antoi ensimmäistä kertaa sähkövirran suunnan yleisesti hyväksytyn säännön toistaiseksi.

Myöhemmin Maxwell itse kiinni tästä asennosta keksimällä “kiinnittimen” säännön, joka määrittää kelan magneettikentän suunnan. Mutta kysymys sähkövirran todellisesta suunnasta pysyi avoimena. Faraday kirjoitti, että tämä tilanne on vain ehdollinen, se on tutkijoille kätevä ja auttaa heitä selvästi määrittämään virran suunnan. Mutta tämä on vain kätevä työkalu.

Kun Faraday löysi sähkömagneettisen induktion, tuli tarpeen määrittää indusoidun virran suunta. Venäläinen fyysikko Lenz antoi säännön: jos metallijohdin liikkuu lähellä virtaa tai magneettia, niin siihen syntyy galvaaninen virta. Ja syntyvän virran suunta on sellainen, että kiinteä johdin tulisi sen toiminnasta liikkeelle vastakkaisella alkuperäistä siirtymää vastaan. Yksinkertainen, helppo ymmärtää sääntö.

Jo elektronin löytämisen jälkeen tämä yleissopimus on ollut olemassa yli puolitoista vuosisataa. Keksinnöllä elektronisen valaisimen kaltainen laite puolijohteiden laajan käyttöönoton myötä alkoi ilmaantua vaikeuksia. Mutta sähkötekniikka, kuten aiemmin, toimii vanhoilla määritelmillä. Joskus tämä aiheuttaa todellista sekaannusta. Mutta säätöjen tekeminen aiheuttaa enemmän haittaa.

Lue myös:Johdotus ja putkistot: analogiat ja erot