De geschiedenis van een paradox van elektrotechniek

Als u een elektrisch circuit samenstelt uit een stroombron, een energieverbruiker en de draden die ze verbinden, sluit u dit, dan stroomt er een elektrische stroom langs dit circuit. Het is redelijk om te vragen: "En in welke richting?" Het handboek over de theoretische grondslagen van de elektrotechniek geeft het antwoord: "In het externe circuit stroomt de stroom van de plus van de energiebron naar de min, en in de binnenkant van de bron van de min naar de plus" (1).

Is dat zo? Bedenk dat een elektrische stroom de geordende beweging is van elektrisch geladen deeltjes. Die in metalen geleiders zijn negatief geladen deeltjes - elektronen. Maar de elektronen in het externe circuit bewegen precies het tegenovergestelde van de min van de bron naar de plus. Dit kan heel eenvoudig worden bewezen. Het is voldoende om een ​​elektronische lamp - een diode in het bovenstaande circuit te plaatsen. Als de anode van de lamp positief is opgeladen, is de stroom in het circuit, indien negatief, dan is er geen stroom. Bedenk dat tegengestelde ladingen aantrekken en soortgelijke ladingen afstoten. Daarom trekt de positieve anode negatieve elektronen aan, maar niet omgekeerd. We concluderen dat de richting tegengesteld aan de beweging van elektronen wordt gezien als de richting van elektrische stroom in de wetenschap van elektrotechniek. (2)

De keuze van de tegengestelde richting van de bestaande kan anders niet paradoxaal worden genoemd, maar de redenen voor deze discrepantie kunnen worden verklaard als we de geschiedenis van de ontwikkeling van elektrotechniek als wetenschap traceren.

Onder de vele theorieën, soms zelfs anekdotisch, proberen we de elektrische fenomenen te verklaren die aan het begin van de wetenschap van elektriciteit verschenen, laten we stilstaan ​​bij twee belangrijke.

De Amerikaanse wetenschapper B. Franklin stelde de zogenaamde unitaire theorie van elektriciteit voor, volgens welke elektrische materie een soort gewichtloze vloeistof is die uit sommige lichamen kan lekken en zich in andere kan ophopen. Volgens Franklin zit een elektrische vloeistof in alle lichamen en wordt deze alleen geëlektrificeerd als er een tekort of teveel aan elektrische vloeistof in zit. Een gebrek aan vloeistof betekent negatieve elektrificatie, een teveel betekent positief. Dus het concept van positieve en negatieve lading verscheen. (3) Wanneer positief geladen lichamen zijn verbonden met negatieve lichamen, gaat een elektrische vloeistof (vloeistof) van een lichaam met een verhoogde hoeveelheid vloeistof naar lichamen met een verminderde hoeveelheid. Zoals bij communicerende vaten. Met dezelfde hypothese is het concept van de beweging van elektrische ladingen - elektrische stroom - de wetenschap ingegaan. (4)

Franklins hypothese bleek zeer vruchtbaar te zijn en anticipeerde op de elektronische geleidingstheorie, maar deze bleek verre van perfect. Het is een feit dat de Franse wetenschapper Dufe ontdekte dat er twee soorten elektriciteit zijn die elkaar, bij het volgen van elke individuele Franklin-theorie, bij contact neutraliseren. (5). De reden voor het ontstaan ​​van een nieuwe dualistische elektriciteitstheorie, door Simmer naar voren gebracht op basis van Dufe's experimenten, was eenvoudig. Verrassend is dat gedurende vele decennia van experimenten met elektriciteit niemand merkte dat bij het wrijven van geëlektrificeerde lichamen, niet alleen het gewreven, maar ook het wrijvende lichaam wordt opgeladen. Anders zou de Simmer-hypothese eenvoudig niet zijn verschenen. Maar het feit dat ze verscheen heeft haar eigen historische rechtvaardigheid. (6)

De dualistische theorie geloofde dat er in de lichamen van de gewone staat twee soorten elektrische vloeistof in VERSCHILLENDE hoeveelheden zijn die elkaar neutraliseren. Elektrificatie werd verklaard door het feit dat de verhouding tussen positieve en negatieve elektriciteit in de lichamen veranderde. Het is niet erg duidelijk, maar het was noodzakelijk om op de een of andere manier de echte fenomenen uit te leggen.

Beide hypothesen legden met succes de belangrijkste elektrostatische verschijnselen uit en concurreerden lange tijd met elkaar. De historisch dualistische theorie anticipeerde op de ionische theorie van de geleidbaarheid van gassen en oplossingen. (7)

De uitvinding van de voltaïsche kolom in 1799 en de daaropvolgende ontdekking van het fenomeen elektrolyse maakten het mogelijk om dat te concluderen tijdens elektrolyse van vloeistoffen en oplossingen er worden twee tegengestelde richtingen van de beweging van ladingen waargenomen - positief en negatief. De dualistische theorie triomfeerde, want tijdens de ontleding van bijvoorbeeld water kon men duidelijk zien dat zuurstofbellen worden uitgestoten op de positieve elektrode en waterstof wordt afgegeven op de negatieve elektrode. (8). Niet alles verliep hier echter soepel. Tijdens de ontleding van water was de hoeveelheid uitgestoten gassen niet hetzelfde. Waterstof had twee keer zoveel zuurstof. Dit was verbijsterd. Hoe kunnen huidige schoolkinderen, die wisten dat er twee waterstofatomen in het watermolecuul zitten in het watermolecuul (de beroemde Ashdvo), maar chemici hebben dit nog niet bedacht.

Er kan niet worden gezegd dat deze theorieën niet alleen door studenten werden begrepen, maar ook door de wetenschappers zelf. Revolutionair-democraat A.I. Herzen, overigens afgestudeerd aan de faculteit natuurkunde en wiskunde van de universiteit van Moskou, schreef dat deze hypothesen niet helpen en zelfs 'studenten schade toebrengen door ze woorden te geven in plaats van concepten, en de vraag met valse voldoening te doden. "Wat is elektriciteit?" - "Gewichtloze vloeistof". Zou het niet beter zijn als de student antwoordde: "Ik weet het niet."? " (10). Toch had Herzen het mis. In moderne terminologie stroomt de elektrische stroom inderdaad van de plus naar de min van de bron en beweegt niet op een andere manier, en we zijn hier helemaal niet van streek.

Honderden wetenschappers uit verschillende landen voerden duizenden experimenten uit met een voltpool, maar pas twintig jaar later ontdekte de Deense wetenschapper Oersted de magnetische werking van een elektrische stroom. In 1820 werd zijn bericht gepubliceerd waarin stond dat een geleider met stroom de metingen van een magnetische naald beïnvloedt. Na talloze experimenten geeft hij een regel waarmee u de richting van de afwijking van de magnetische naald ten opzichte van de stroom of stroom van de richting van de magnetische pijl kunt bepalen. "We zullen de formule gebruiken: de pool, die negatieve elektriciteit boven zichzelf ziet binnenkomen, wijkt af naar het oosten." De regel is zo vaag dat een moderne geletterde niet meteen weet hoe het te gebruiken, maar hoe zit het met de tijd dat de concepten nog niet zijn vastgesteld.

Daarom besluit Ampere in zijn werk gepresenteerd door de Paris Academy of Sciences eerst een van de richtingen van stromingen als de belangrijkste te nemen, en geeft vervolgens een regel waarmee men het effect van magneten op stromingen kan bepalen. We lezen: "Aangezien ik constant zou moeten praten over twee tegengestelde richtingen waarin beide elektriciteit stroomt, dan zal ik, om onnodige herhalingen te voorkomen, na de woorden RICHTING VAN ELEKTRISCHE STROOM altijd POSITIEVE elektriciteit betekenen" Dus de algemeen aanvaarde richtingsregel werd voor het eerst geïntroduceerd stroom. Inderdaad, voordat de ontdekking van het elektron meer dan zeventig jaar was. (11).

In de 17-19 eeuwen in Europa werd MONEMONICS wijdverbreid. of de kunst van het onthouden, dat wil zeggen een systeem van verschillende technieken die het onthouden vergemakkelijken door de vorming van kunstmatige associaties. Gedichten staan ​​er bijvoorbeeld om bekend het aantal PI's te onthouden - "Wie maakt een grapje en wil dit binnenkort ...", die meer dan honderd jaar oud zijn. Of een gezegde over fazanten en jagers om de volgorde van de kleuren van het zonnespectrum te onthouden. Dit zijn mnemonische regels.

Dezelfde regel werd uitgevonden door Ampère om de richting van krachten op een geleider met stroom te bepalen. Het werd de "zwemmerregel" genoemd. We geven het niet, omdat het ook niet succesvol was en geen wortel schoot. Maar de stroomrichting in alle regels impliceerde de beweging van positief geladen deeltjes. (12)

Later hield Maxwell zich ook aan deze canon, die de regel van "kurkentrekker" of "bok" bedacht om de richting van het magnetische veld van de spoel te bepalen. Het is bekend voor elke student. De vraag naar de werkelijke richting van de stroom bleef echter open. Dit is wat Faraday schreef: 'Als ik het zeg. dat de stroom van een positieve naar een negatieve plaats gaat, is alleen in overeenstemming met de traditionele, hoewel tot op zekere hoogte stil overeenkomst tussen wetenschappers en het verstrekken van hen constant helder en duidelijk middel om de richting van de krachten van deze stroom aan te geven". (13. Cursief van ons. BH)

Na de ontdekking van elektromagnetische inductie door Faraday (het induceren van een stroom in een geleider in een veranderend magnetisch veld), werd het noodzakelijk om de richting van de geïnduceerde stroom te bepalen. Deze regel werd gegeven door de uitstekende Russische natuurkundige E.Kh. Lents. (14). Er staat: “Als een metalen geleider in de buurt van een stroom of een magneet beweegt, ontstaat er een galvanische stroom in. De richting van deze stroom is zodanig dat de rustende draad er in beweging uit zou komen, tegengesteld aan de werkelijke beweging. " (15). Dat wil zeggen, de regel kwam neer op het type 'advies vragen en het tegenovergestelde doen'.

De regels die bij de huidige afgestudeerde school bekend staan ​​als de "regel van de linkerhand" en "de regel van de rechterhand" in de uiteindelijke vorm, werden voorgesteld door de Engelse natuurkundige Fleming en ze dienen om de HERINNERING van het fysieke fenomeen aan natuurkundigen, studenten en schoolkinderen te vereenvoudigen, en niet om ze voor de gek te houden.

Deze regels worden op grote schaal toegepast in de praktijk en in handboeken van de natuurkunde, en na de ontdekking van het elektron zou er heel veel moeten worden veranderd, en niet alleen in handboeken, als de ware richting van de stroom zou worden aangegeven. En deze conventie leeft meer dan anderhalve eeuw voort. Aanvankelijk veroorzaakte het geen moeilijkheden, maar met de uitvinding van de elektronische lamp (ironisch genoeg vond Fleming de eerste radiobuis uit) en het wijdverbreide gebruik van halfgeleiders, begonnen zich problemen op te doen. Natuurkundigen en elektronica-experts praten daarom liever niet over de richtingen van elektrische stroom, maar over de bewegingsrichtingen van elektronen of ladingen. Maar elektrotechniek werkt nog steeds volgens oude definities. Soms veroorzaakt dit verwarring. Er kunnen aanpassingen worden gedaan, maar zou dit meer ongemak veroorzaken dan bestaande?