Povijest paradoksa elektrotehnike

Ako sastavite električni krug iz izvora struje, potrošača energije i žica koje ih povezuju, zatvorite, tada će duž ovog kruga strujati električna struja. Razumno je pitati: "I u kojem smjeru?" Udžbenik o teoretskim osnovama elektrotehnike daje odgovor: „U vanjskom krugu struja teče od plus izvora energije do minusa, a u unutrašnjosti izvora od minus do plus“ (1).

Je li tako? Podsjetimo da je električna struja uređeno kretanje električno nabijenih čestica. Oni u metalnim vodičima su negativno nabijene čestice - elektroni. Ali elektroni u vanjskom krugu kreću se upravo suprotno od minus izvora do plusa. To se može dokazati vrlo jednostavno. Dovoljno je u gornji krug staviti elektroničku svjetiljku - diodu. Ako je anoda žarulje pozitivno nabijena, tada će struja u krugu biti, ako je negativna, tada neće biti struje. Podsjetimo da suprotne optužbe privlače, i poput optužbi odbijaju. Stoga pozitivna anoda privlači negativne elektrone, ali ne i obrnuto. Zaključujemo da za smjer električne struje u znanosti o elektrotehnici uzimaju smjer koji je suprotan gibanju elektrona. (2)

Odabir smjera suprotnog postojećeg ne može se nazvati inače paradoksalnim, ali razlozi takvog odstupanja mogu se objasniti ako pratimo povijest razvoja elektrotehnike kao znanosti.

Među brojnim teorijama, ponekad čak i anegdotskim, pokušavajući objasniti električne fenomene koji su se pojavili u zoru znanosti o elektricitetu, usredotočimo se na dvije glavne.

Američki znanstvenik B. Franklin iznio je takozvanu unitarnu teoriju električne energije, prema kojoj je električna tvar vrsta bezvažne tekućine koja bi mogla iscuriti iz nekih tijela i nakupiti se u drugima. Prema Franklinu, električna tekućina se nalazi u svim tijelima, a postaje naelektrizirana samo kad u njima postoji nedostatak ili višak električne tekućine. Manjak tekućine znači negativnu elektrifikaciju, a višak znači pozitivnu. Tako se pojavio pojam pozitivnog i negativnog naboja. (3) Kada su pozitivno nabijena tijela povezana s negativnim tijelima, električna tekućina (tekućina) prelazi iz tijela s povećanom količinom tekućine u tijela sa smanjenom količinom. Kao i kod komuniciranja plovila. Istom hipotezom pojam gibanja električnih naboja - električne struje - ušao je u znanost. (4)

Franklinova se hipoteza pokazala vrlo plodnom i predviđala je elektroničku teoriju provođenja. Međutim, pokazalo se da je daleko od savršene. Činjenica je da je francuski znanstvenik Dufe otkrio da postoje dvije vrste električne energije koje su, poštujući svaku zasebnu Franklinovu teoriju, međusobno neutralizirale jedan kontakt. (5). Razlog nastanka nove dualističke teorije električne energije koju je Simmer iznio na temelju Dufeovih pokusa bio je jednostavan. Iznenađujuće, tijekom mnogih desetljeća pokusa s električnom energijom, nitko nije primijetio da se prilikom trljanja naelektriziranih tijela nakupljaju ne samo utrljana, nego i trljajuća tijela. Inače se Simmerova hipoteza jednostavno ne bi pojavila. Ali činjenica da se pojavila ima svoju povijesnu pravdu. (6)

Dualistička teorija smatrala je da se u tijelima uobičajenog stanja nalaze dvije vrste električnog fluida u različitim količinama, koje se međusobno neutraliziraju. Elektrifikacija je objasnjena činjenicom da se omjer pozitivnog i negativnog elektriciteta u tijelima mijenjao. Nije baš jasno, ali trebalo je nekako objasniti fenomene iz stvarnog života.

Obje su hipoteze uspješno objasnile glavne elektrostatičke pojave i dugo vremena konkurirale jedna drugoj. Povijesno dualistička teorija predviđala je ionsku teoriju vodljivosti plinova i otopina. (7)

Izum voltaičnog stupca 1799. godine i naknadno otkriće fenomena elektrolize omogućili su zaključak toga tijekom elektrolize tekućina i otopina u njima se promatraju dva suprotna smjera kretanja naboja - pozitivan i negativan. Dualistička teorija pobjedila je, jer se, primjerice, razgradnjom vode moglo jasno vidjeti da se na pozitivnoj elektrodi emitiraju mjehurići kisika, a na negativnoj elektrodi se oslobađa vodik. (8). Međutim, ovdje nije sve bilo glatko. Tijekom raspada vode nije bila jednaka količina ispuštenih plinova. Vodik je imao dvostruko više kisika. Ovo je zbunjeno. Kako bi bilo koji trenutni školarci, koji su znali da u molekuli vode postoje dva atoma vodika (poznato ashdvo), kemičari to još nisu smislili.

Ne može se reći da su te teorije razumjeli ne samo studenti, već i sami znanstvenici. Revolucionarni demokrat A.I. Herzen je, slučajno, diplomant fizičko-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Moskvi napisao da ove hipoteze ne pomažu, pa čak i „čine groznu štetu studentima dajući im riječi umjesto pojmova, ubijajući pitanje s lažnim zadovoljstvom. "Što je električna energija?" - "Težina bez težine". Ne bi li bilo bolje da je student odgovorio: „Ne znam.“ (10). Ipak, Herzen nije bio u pravu. Doista, u modernoj terminologiji, električna struja teče od plusa do minus izvora i ne kreće se ni na koji drugi način, a mi se time uopće ne uznemirujemo.

Stotine znanstvenika iz različitih zemalja izveli su tisuće eksperimenata s voltinskim polom, ali samo dvadeset godina kasnije danski je znanstvenik Oersted otkrio magnetsko djelovanje električne struje. Godine 1820. objavljena je njegova poruka u kojoj stoji da vodič s strujom utječe na očitanje magnetske igle. Nakon brojnih eksperimenata, on daje pravilo po kojem je moguće odrediti smjer odstupanja magnetske igle od struje ili struje od smjera magnetske strelice. "Koristit ćemo formulu: stup, koji vidi negativnu električnu energiju kako ulazi iznad sebe, odstupa na istok." Pravilo je toliko nejasno da moderna pismena osoba ne shvaća odmah kako ga koristiti, ali što je s vremenom kada koncepti još nisu uspostavljeni.

Stoga se Ampere u svom radu koji je predstavila Pariška akademija znanosti prvo odluči uzeti jedan od smjerova struje kao glavni, a zatim daje pravilo pomoću kojega se može utvrditi utjecaj magneta na struju. Čitamo: "Budući da bih morao neprestano govoriti o dva suprotna smjera u kojima struje oba struje, tada, kako bi se izbjegla nepotrebna ponavljanja, nakon riječi SMJERA ELEKTRIČNE TEKUĆE, uvijek ću podrazumijevati POZITIVNU struju". Dakle, prvo je uvedeno opće prihvaćeno pravilo smjera struja. Doista, do otkrića elektrona bilo je više od sedamdeset godina. (11).

U 17-19 stoljeću u Europi, MONEMONICS je postala široko rasprostranjena. ili umjetnost pamćenja, tj. sustav različitih tehnika koje olakšavaju pamćenje stvaranjem umjetnih asocijacija. Primjerice, poezija je poznata po tome što pamti broj PI - "Tko se šali i uskoro će poželjeti ...", stari više od stotinu godina. Ili izreka o fazanima i lovcima da se prisjete rasporeda sunčevog spektra .. To su mnemonička pravila.

Isto je pravilo izumio Ampère kako bi odredio smjer sila na vodiču sa strujom. Zvalo se "pravilo plivača". Ne dajemo ga, jer je također bio neuspješan i nije se ukorijenio. No smjer struje u svim je pravilima podrazumijevao kretanje pozitivno nabijenih čestica. (12)

Kasnije se Maxwell pridržavao i ovog kanona, koji je smislio smjer magnetskog polja zavojnice, koji je smislio smjer magnetskog polja. Poznato je svakom učeniku. Međutim, pitanje pravog smjera struje ostalo je otvoreno. Evo što je Faraday napisao: „Ako kažem. da struja prelazi s pozitivnog na negativno mjesto samo je u suglasju s tradicionalnim, mada donekle nijem sporazum između znanstvenika i njihovo pružanje stalna jasna i određena sredstva za označavanje smjera sila ove struje”. (13. Italics our. BH)

Nakon što je Faraday otkrio elektromagnetsku indukciju (inducirajući struju u vodiču u promjenjivom magnetskom polju), postalo je potrebno odrediti smjer inducirane struje. Ovo je pravilo dao izvanredni ruski fizičar E. K. Korizme. (14). Piše: „Ako se metalni vodič vodi blizu struje ili magneta, u njemu nastaje galvanska struja. Smjer ove struje je takav da bi žica u mirovanju dolazila od nje u pokretu, suprotno stvarnom kretanju. " (15). Odnosno, pravilo se svodilo na vrstu "pitajte za savjet i radite suprotno".

Pravila poznata sadašnjem maturantima kao „pravilo lijeve ruke“ i „vladavina desne ruke“ u konačnom obliku predložila je engleska fizičarka Fleminga i služe da pojednostave sjećanje na fizički fenomen fizičarima, učenicima i školarcima, a ne da ih zavaraju.

Ova se pravila uveliko unose u praksu i udžbenike fizike, a nakon otkrića elektrona mnogo bi se toga trebalo promijeniti, i to ne samo u udžbenicima, ako je naznačeno pravo usmjerenje struje. A ta konvencija živi više od stoljeća i pol. U početku to nije stvaralo poteškoće, ali s izumom elektroničke svjetiljke (ironično, Fleming je izumio prvu radijsku cijev) i širokom primjenom poluvodiča, počele su se pojavljivati ​​poteškoće. Stoga fizičari i stručnjaci za elektroniku radije ne govore o smjerovima električne struje, nego o smjerovima gibanja elektrona ili nabojima. Ali elektrotehnika još uvijek radi na starim definicijama. Ponekad to uzrokuje zbunjenost. Moguće je izvršiti prilagođavanja, no hoće li uzrokovati više neugodnosti od postojećih?