Die Geschichte eines Paradoxons der Elektrotechnik

Wenn Sie einen Stromkreis aus einer Stromquelle, einem Energieverbraucher und den sie verbindenden Drähten zusammensetzen, schließen Sie ihn, und ein elektrischer Strom fließt entlang dieses Stromkreises. Es ist vernünftig zu fragen: "Und in welche Richtung?" Das Lehrbuch über die theoretischen Grundlagen der Elektrotechnik gibt die Antwort: „Im externen Stromkreis fließt der Strom vom Plus der Energiequelle zum Minus und im Inneren der Quelle vom Minus zum Plus“ (1).

Ist es so? Denken Sie daran, dass ein elektrischer Strom die geordnete Bewegung elektrisch geladener Teilchen ist. Diejenigen in Metallleitern sind negativ geladene Teilchen - Elektronen. Die Elektronen im externen Stromkreis bewegen sich jedoch genau umgekehrt vom Minus der Quelle zum Plus. Dies kann sehr einfach bewiesen werden. Es reicht aus, eine elektronische Lampe - eine Diode - in die obige Schaltung einzubauen. Wenn die Anode der Lampe positiv geladen ist, ist der Strom in der Schaltung, wenn er negativ ist, gibt es keinen Strom. Denken Sie daran, dass entgegengesetzte Ladungen anziehen und wie Ladungen abstoßen. Daher zieht die positive Anode negative Elektronen an, aber nicht umgekehrt. Wir schließen daraus, dass für die Richtung des elektrischen Stroms in der Wissenschaft der Elektrotechnik die Richtung entgegengesetzt zur Bewegung der Elektronen ist. (2)

Die Wahl der Richtung, die der bestehenden entgegengesetzt ist, kann nicht als anders paradox bezeichnet werden, aber die Gründe für diese Diskrepanz können erklärt werden, wenn wir die Geschichte der Entwicklung der Elektrotechnik als Wissenschaft verfolgen.

Unter den vielen Theorien, die manchmal sogar anekdotisch sind und versuchen, die elektrischen Phänomene zu erklären, die zu Beginn der Wissenschaft der Elektrizität auftraten, wollen wir uns mit zwei Hauptphänomenen befassen.

Der amerikanische Wissenschaftler B. Franklin stellte die sogenannte Einheitstheorie der Elektrizität vor, wonach elektrische Materie eine Art schwerelose Flüssigkeit ist, die aus einigen Körpern herausfließen und sich in anderen ansammeln könnte. Laut Franklin ist eine elektrische Flüssigkeit in allen Körpern enthalten und wird nur dann elektrifiziert, wenn in ihnen ein Mangel oder ein Überschuss an elektrischer Flüssigkeit vorhanden ist. Flüssigkeitsmangel bedeutet negative Elektrifizierung, Überschuss bedeutet positive. So erschien das Konzept der positiven und negativen Ladung. (3) Wenn positiv geladene Körper mit negativen Körpern verbunden sind, gelangt eine elektrische Flüssigkeit (Flüssigkeit) von einem Körper mit einer erhöhten Flüssigkeitsmenge zu Körpern mit einer verringerten Menge. Wie bei der Kommunikation von Schiffen. Mit der gleichen Hypothese trat das Konzept der Bewegung elektrischer Ladungen - elektrischer Strom - in die Wissenschaft ein. (4)

Franklins Hypothese erwies sich als äußerst fruchtbar und nahm die elektronische Leitungstheorie vorweg. Sie erwies sich jedoch als alles andere als perfekt. Tatsache ist, dass der französische Wissenschaftler Dufe entdeckte, dass es zwei Arten von Elektrizität gibt, die sich unter Befolgung jeder einzelnen Franklin-Theorie bei Kontakt gegenseitig neutralisierten. (5). Der Grund für die Entstehung einer neuen dualistischen Theorie der Elektrizität, die Simmer auf der Grundlage von Dufes Experimenten aufgestellt hatte, war einfach. Überraschenderweise bemerkte während jahrzehntelanger Experimente mit Elektrizität niemand, dass beim Reiben elektrifizierter Körper nicht nur der geriebene, sondern auch der reibende Körper aufgeladen wird. Andernfalls wäre die Simmer-Hypothese einfach nicht aufgetaucht. Aber die Tatsache, dass sie erschien, hat ihre eigene historische Gerechtigkeit. (6)

Die dualistische Theorie glaubte, dass es in den Körpern des gewöhnlichen Zustands zwei Arten von elektrischer Flüssigkeit in VERSCHIEDENEN Mengen gibt, die sich gegenseitig neutralisieren. Die Elektrifizierung wurde durch die Tatsache erklärt, dass sich das Verhältnis von positiver und negativer Elektrizität in den Körpern änderte. Es ist nicht sehr klar, aber es war notwendig, die wirklichen Phänomene irgendwie zu erklären.

Beide Hypothesen erklärten erfolgreich die wichtigsten elektrostatischen Phänomene und konkurrierten lange Zeit miteinander. Die historisch dualistische Theorie nahm die Ionentheorie der Leitfähigkeit von Gasen und Lösungen vorweg. (7)

Die Erfindung der Voltaiksäule im Jahr 1799 und die anschließende Entdeckung des Phänomens der Elektrolyse ließen darauf schließen während der Elektrolyse von Flüssigkeiten und Lösungen In ihnen werden zwei entgegengesetzte Richtungen der Ladungsbewegung beobachtet - positiv und negativ. Die dualistische Theorie triumphierte, da man bei der Zersetzung von beispielsweise Wasser deutlich sehen konnte, dass Sauerstoffblasen an der positiven Elektrode emittiert werden und Wasserstoff an der negativen Elektrode freigesetzt wird. (8). Hier war jedoch nicht alles glatt. Während der Zersetzung von Wasser war die Menge der emittierten Gase nicht gleich. Wasserstoff hatte doppelt so viel Sauerstoff. Das war verblüfft. Wie könnten aktuelle Schulkinder, die wussten, dass das Wassermolekül im Wassermolekül zwei Wasserstoffatome enthält (das berühmte Ashdvo), aber Chemiker haben sich das noch nicht ausgedacht.

Es kann nicht gesagt werden, dass diese Theorien nicht nur von Studenten, sondern auch von den Wissenschaftlern selbst verstanden wurden. Revolutionärer Demokrat A.I. Herzen, Absolvent der Fakultät für Physik und Mathematik der Moskauer Universität, schrieb übrigens, dass diese Hypothesen nicht helfen und sogar „den Studenten schrecklichen Schaden zufügen, indem sie ihnen Worte statt Konzepte geben und die Frage mit falscher Befriedigung beantworten. "Was ist Strom?" - "Schwerelose Flüssigkeit". Wäre es nicht besser, wenn der Schüler antwortete: "Ich weiß nicht." (10). Trotzdem lag Herzen falsch. In der modernen Terminologie fließt der elektrische Strom vom Plus zum Minus der Quelle und bewegt sich auf keine andere Weise, und wir sind darüber überhaupt nicht verärgert.

Hunderte von Wissenschaftlern aus verschiedenen Ländern führten Tausende von Experimenten mit einem Voltpol durch, doch nur zwanzig Jahre später entdeckte der dänische Wissenschaftler Oersted die magnetische Wirkung eines elektrischen Stroms. 1820 wurde seine Nachricht veröffentlicht, dass ein Leiter mit Strom die Messwerte der Magnetnadel beeinflusst. Nach zahlreichen Experimenten gibt er eine Regel an, nach der es möglich ist, die Abweichungsrichtung der Magnetnadel vom Strom oder den Strom von der Richtung des Magnetpfeils zu bestimmen. "Wir werden die Formel verwenden: Der Pol, an dem negative Elektrizität über sich selbst eindringt, weicht nach Osten ab." Die Regel ist so vage, dass ein moderner Literat nicht sofort herausfindet, wie er sie verwenden soll, sondern was ist mit der Zeit, in der die Konzepte noch nicht festgelegt wurden.

Daher beschließt Ampere in seiner von der Pariser Akademie der Wissenschaften vorgestellten Arbeit zunächst, eine der Richtungen der Ströme als Hauptrichtung zu verwenden, und gibt dann eine Regel an, anhand derer die Wirkung von Magneten auf Ströme bestimmt werden kann. Wir lesen: „Da ich ständig über zwei entgegengesetzte Richtungen sprechen müsste, in die beide Elektrizität fließt, meine ich, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, nach den Worten RICHTUNG DES ELEKTRISCHEN STROMS immer POSITIVE Elektrizität.“ Daher wurde zum ersten Mal die allgemein akzeptierte Richtungsregel eingeführt Strom. In der Tat war vor der Entdeckung des Elektrons mehr als siebzig Jahre. (11).

In den 17-19 Jahrhunderten in Europa verbreitete sich die MONEMONIK. oder die Kunst des Auswendiglernen, dh ein System verschiedener Techniken, die das Auswendiglernen durch die Bildung künstlicher Assoziationen erleichtern. Zum Beispiel ist Poesie dafür bekannt, sich an die Anzahl der PIs zu erinnern - "Wer scherzt und sich bald wünscht ...", die mehr als hundert Jahre alt sind. Oder ein Sprichwort über Fasane und Jäger, um sich an die Anordnung der Farben des Sonnenspektrums zu erinnern. Dies sind mnemonische Regeln.

Die gleiche Regel wurde von Ampère erfunden, um die Richtung der Kräfte auf einen Leiter mit Strom zu bestimmen. Es wurde die "Schwimmerregel" genannt. Wir geben es nicht, weil es auch erfolglos war und keine Wurzeln schlug. Die Richtung des Stroms in allen Regeln implizierte jedoch die Bewegung positiv geladener Teilchen. (12)

Später hielt sich Maxwell auch an diesen Kanon, der die Regel „Korkenzieher“ oder „Gimlet“ entwickelte, um die Richtung des Magnetfelds der Spule zu bestimmen. Es ist jedem Schüler vertraut. Die Frage nach der wahren Richtung des Stroms blieb jedoch offen. Hier ist, was Faraday schrieb: „Wenn ich sage. Dass der Strom von einem positiven zu einem negativen Ort geht, stimmt nur mit dem Traditionellen überein, wenn auch in gewissem Maße still Vereinbarung zwischen Wissenschaftlern und Bereitstellung konstant klar und eindeutig Mittel zur Anzeige der Richtung der Kräfte dieses Stroms". (13. Kursivschrift bei uns. BH)

Nach der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Faraday (Induzieren eines Stroms in einem Leiter in einem sich ändernden Magnetfeld) wurde es notwendig, die Richtung des induzierten Stroms zu bestimmen. Diese Regel wurde vom herausragenden russischen Physiker E.Kh. Lents gegeben. (14). Es lautet: „Wenn sich ein Metallleiter in der Nähe eines Stroms oder eines Magneten bewegt, entsteht darin ein galvanischer Strom. Die Richtung dieses Stroms ist so, dass der ruhende Draht entgegen der tatsächlichen Bewegung von ihm in Bewegung kommen würde. " (15). Das heißt, die Regel bestand darin, „um Rat zu fragen und das Gegenteil zu tun“.

Die Regeln, die dem derzeitigen Schulabsolventen als „Regel der linken Hand“ und „Regel der rechten Hand“ in der endgültigen Form bekannt sind, wurden vom englischen Physiker Fleming vorgeschlagen und dienen dazu, Physikern, Schülern und Schulkindern die Erinnerung an das physikalische Phänomen zu vereinfachen und sie nicht zu täuschen.

Diese Regeln sind in der Praxis und in den Lehrbüchern der Physik weit verbreitet, und nach der Entdeckung des Elektrons müsste sehr viel geändert werden, und zwar nicht nur in Lehrbüchern, wenn die wahre Richtung des Stroms angegeben würde. Und diese Konvention lebt mehr als anderthalb Jahrhunderte weiter. Anfangs verursachte es keine Schwierigkeiten, aber mit der Erfindung der elektronischen Lampe (ironischerweise erfand Fleming die erste Funkröhre) und der weit verbreiteten Verwendung von Halbleitern traten Schwierigkeiten auf. Daher sprechen Physiker und Elektronikexperten lieber nicht über die Richtungen des elektrischen Stroms, sondern über die Bewegungsrichtungen der Elektronen oder Ladungen. Die Elektrotechnik arbeitet jedoch immer noch nach alten Definitionen. Manchmal führt dies zu Verwirrung. Anpassungen könnten vorgenommen werden, aber würde dies mehr Unannehmlichkeiten verursachen als bestehende?