Historiken om ett paradox inom elektroteknik

Om du komponerar en elektrisk krets från en strömkälla, en energiförbrukare och ledningarna som ansluter dem, stänger den, kommer en elektrisk ström att flyta längs denna krets. Det är rimligt att fråga: "Och i vilken riktning?" Läroboken om de teoretiska grunderna för elektroteknik ger svaret: ”I den externa kretsen flyter strömmen från plus för energikällan till minus, och på insidan av källan från minus till plus” (1).

Är det så? Kom ihåg att en elektrisk ström är den ordnade rörelsen för elektriskt laddade partiklar. De i metallledare är negativt laddade partiklar - elektroner. Men elektronerna i den externa kretsen rör sig precis motsatt från minus från källan till plus. Detta kan bevisas mycket enkelt. Det räcker att sätta en elektronisk lampa - en diod i kretsen ovan. Om lampans anod är positivt laddad blir strömmen i kretsen, om den är negativ, kommer det inte att finnas någon ström. Kom ihåg att motsatta avgifter lockar till sig, och att liknande avgifter stöter. Därför lockar den positiva anoden negativa elektroner, men inte tvärtom. Vi drar slutsatsen att för elektrisk strömriktning inom vetenskapen om elektroteknik tar de motsatt riktning mot elektronernas rörelse. (2)

Valet av riktning motsatt den befintliga kan inte kallas annars paradoxalt, men orsakerna till denna avvikelse kan förklaras om vi spårar historien om utvecklingen av elektroteknik som en vetenskap.

Bland de många teorierna, ibland till och med anekdotiska, som försöker förklara de elektriska fenomen som dök upp i gryningen av elvetenskapen, låt oss bo på två huvudsakliga.

Den amerikanska forskaren B. Franklin framförde den så kallade enhetsteorin om elektricitet, enligt vilken elektriskt material är en slags viktlös vätska som kan rinna ut från vissa kroppar och ackumuleras i andra. Enligt Franklin finns en elektrisk vätska i alla kroppar och blir elektrifierad endast när det finns brist eller överskott av elektrisk vätska i dem. Brist på vätska betyder negativ elektrifiering, ett överskott betyder positivt. Så begreppet positiv och negativ laddning dök upp. (3) När positivt laddade kroppar är förbundna med negativa kroppar, passerar en elektrisk vätska (vätska) från en kropp med en ökad mängd vätska till kroppar med en reducerad mängd. Som i kommunikationsfartyg. Med samma hypotes gick begreppet rörelse av elektriska laddningar - elektrisk ström - in i vetenskapen. (4)

Franklins hypotes visade sig vara mycket fruktbar och förväntade sig den elektroniska ledningsteorin. Det visade sig emellertid vara långt ifrån perfekt. Faktum är att den franska forskaren Dufe upptäckte att det finns två typer av elektricitet, som följde varenda Franklin-teori, neutraliserade varandra vid kontakt. (5). Anledningen till uppkomsten av en ny dualistisk teori om elektricitet, som Simmer framförde på grundval av Dufe-experiment, var enkel. Överraskande nog, under många decennier av experiment med el, såg ingen att när man gnuggar elektrifierade kroppar laddas inte bara gnuggan utan också gnidningskroppen. Annars skulle Simmer-hypotesen helt enkelt inte ha dykt upp. Men det faktum att hon dök upp har sin egen historiska rättvisa. (6)

Den dualistiska teorin trodde att i kroppar med ett normalt tillstånd finns det två typer av elektrisk vätska i olika mängder som neutraliserar varandra. Elektrifiering förklarades av att förhållandet mellan positiv och negativ el i kropparna förändrades. Det är inte särskilt tydligt, men det var nödvändigt att på något sätt förklara de verkliga fenomenen.

Båda hypoteserna förklarade framgångsrikt de viktigaste elektrostatiska fenomenen och konkurrerade under lång tid med varandra. Den historiskt dualistiska teorin förutsåg den joniska teorin om konduktivitet för gaser och lösningar. (7)

Uppfinningen av den voltiska kolonnen 1799 och den efterföljande upptäckten av fenomenet elektrolys gjorde det möjligt att dra slutsatsen att under elektrolys av vätskor och lösningar två motsatta riktningar av laddningens rörelse observeras i dem - positiva och negativa. Den dualistiska teorin segrade, eftersom man under nedbrytningen av till exempel vatten tydligt kunde se att syre bubblor släpps ut på den positiva elektroden och väte frigörs på den negativa elektroden. (8). Men inte allt var smidigt här. Under nedbrytningen av vatten var mängden utsända gaser inte densamma. Väte hade dubbelt så mycket syre. Det här förbryllade. Hur kan någon nuvarande skolpojke veta att syreatomen i en vattenmolekyl har två väteatomer (den berömda ashdvoo), men kemister har inte kommit fram till det ännu.

Det kan inte sägas att dessa teorier förstås inte bara av studenter utan också av forskarna själva. Revolutionär demokrat A.I. Herzen skrev förresten, en examen vid fakulteten för fysik och matematik vid Moskva universitet, att dessa hypoteser inte hjälper och till och med "gör fruktansvärda skador på studenterna genom att ge dem ord istället för begrepp och döda frågan med falsk tillfredsställelse. "Vad är el?" - "Viktlös vätska". Skulle det inte vara bättre om eleven svarade: "Jag vet inte."? " (10). Fortfarande var Herzen fel. I modern terminologi flyter faktiskt den elektriska strömmen från plus till minus av källan och rör sig inte på något annat sätt, och vi är inte alls upprörda över detta.

Hundratals forskare från olika länder genomförde tusentals experiment med en voltpol, men bara tjugo år senare upptäckte den danska forskaren Oersted den elektriska strömens magnetiska verkan. 1820 publicerades hans meddelande om att en ledare med ström påverkar avläsningen av magnetnålen. Efter många experiment ger han en regel genom vilken du kan bestämma magnetisk nålens avvikelsesriktning från strömmen eller strömmen från magnetpilens riktning. "Vi kommer att använda formeln: polen, som ser negativ el komma in över sig själv, avviker österut." Regeln är så vag att en modern litterat person inte omedelbart tar reda på hur man använder den, men hur är det med tiden när begreppen ännu inte har fastställts.

Därför beslutar Ampere, i sitt arbete som presenterades av Paris Academy of Sciences, först att ta en av riktningarna för strömmar som den huvudsakliga, och sedan ger en regel som man kan bestämma magneternas effekt på strömmar. Vi läser: ”Eftersom jag ständigt måste prata om två motsatta riktningar där båda elektriciteten flyter, för att undvika onödiga upprepningar, efter orden RIKTNING AV ELEKTRISK STRÖM, kommer jag alltid att betyda POSITIV el” Så, den allmänt accepterade riktningsregeln infördes för första gången ström. Innan upptäckten av elektronen var faktiskt mer än sjuttio år. (11).

Under 17-19 århundradena i Europa blev MONEMONICS utbredd. eller konsten att memorera, det vill säga ett system med olika tekniker som underlättar memorering genom bildandet av konstgjorda föreningar. Exempelvis är dikter kända för att komma ihåg antalet PI: er - "Vem skämt och kommer snart att vilja ...", som är mer än hundra år gamla. Eller ett ordställe om fasaner och jägare att komma ihåg arrangemanget av färgerna i solspektrumet. Det här är mnemoniska regler.

Samma regel uppfanns av Ampère för att bestämma kraftriktningen på en ledare med ström. Det kallades "simmerregeln". Vi ger det inte, för det var också misslyckat och inte rotade. Men strömriktningen i alla regler innebar förflyttningen av positivt laddade partiklar. (12)

Senare följde Maxwell också denna kanon, som kom med regeln om "korkskruv" eller "gimlet" för att bestämma riktningen för magnetfältet i spolen. Det är bekant för varje student. Frågan om strömens riktning var dock öppen. Så här skrev Faraday: ”Om jag säger. att strömmen går från en positiv plats till en negativ är bara i överensstämmelse med det traditionella, även om det till viss del silent överenskommelse mellan forskare och tillhandahålla dem konstant tydligt och bestämt medel för att indikera riktningen för krafterna för denna ström". (13. Kursiv vår. BH)

Efter upptäckten av elektromagnetisk induktion av Faraday (induktion av en ström i en ledare i ett förändrat magnetfält) blev det nödvändigt att bestämma riktningen för den inducerade strömmen. Denna regel gavs av den enastående ryska fysikern E.Kh Lents. (14). Det står: ”Om en metallledare rör sig nära en ström eller en magnet uppstår en galvanisk ström i den. Riktningen för denna ström är sådan att tråden i vila kommer från den i rörelse, mittemot den faktiska rörelsen. " (15). Det vill säga att regeln kom till typen "be om råd och göra det motsatta."

Reglerna som kändes för den nuvarande skolan som "vänsterhandens regel" och "högerhandens regel" i den slutliga formen föreslogs av den engelska fysikern Fleming och de tjänar till att förenkla minnet av det fysiska fenomenet till fysiker, studenter och skolbarn och inte för att lura dem.

Dessa regler införs i stor utsträckning i fysikens praktik och läroböcker, och efter upptäckten av elektronn skulle mycket behöva ändras, och inte bara i läroböcker, om den riktiga riktningen för strömmen anges. Och denna konvention lever vidare i mer än ett och ett halvt sekel. Till en början orsakade det inte svårigheter, men med uppfinningen av den elektroniska lampan (ironiskt nog uppfann Fleming det första radioröret) och den utbredda användningen av halvledare började svårigheter uppstå. Därför föredrar fysiker och elektronikexperter att inte prata om elektrisk strömningsriktning, utan om rörelseriktningar för elektroner eller laddningar. Men elektroteknik verkar fortfarande på gamla definitioner. Ibland orsakar detta förvirring. Justeringar kan göras, men skulle det orsaka mer besvär än existerande?