Η ιστορία ενός παράδοξου της ηλεκτρολογίας

Εάν συνθέσετε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα από μια πηγή ρεύματος, έναν καταναλωτή ενέργειας και τα καλώδια που τα συνδέουν, κλείστε το, τότε θα διαρρεύσει ένα ηλεκτρικό ρεύμα κατά μήκος αυτού του κυκλώματος. Είναι λογικό να ρωτήσετε: "Και σε ποια κατεύθυνση;" Το βιβλίο των θεωρητικών θεμελίων της ηλεκτρολόγων μηχανικών δίνει την απάντηση: "Στο εξωτερικό κύκλωμα, το ρεύμα ρέει από το πρίσμα της πηγής ενέργειας στο μείον και στο εσωτερικό της πηγής από το μείον στο συν" (1).

Είναι έτσι; Θυμηθείτε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι η διαταγμένη κίνηση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Αυτοί στους μεταλλικούς αγωγούς είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια - ηλεκτρόνια. Αλλά τα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα κινούνται ακριβώς απέναντι από το μείον της πηγής στο συν. Αυτό μπορεί να αποδειχθεί πολύ απλά. Αρκεί να τοποθετήσετε έναν ηλεκτρονικό λαμπτήρα - μια δίοδο στο παραπάνω κύκλωμα. Εάν η άνοδος της λάμπας είναι θετικά φορτισμένη, τότε το ρεύμα στο κύκλωμα θα είναι, εάν είναι αρνητικό, τότε δεν θα υπάρχει ρεύμα. Θυμηθείτε ότι οι αντίθετες χρεώσεις προσελκύουν, και όπως οι χρεώσεις απωθούν. Επομένως, η θετική άνοδο προσελκύει αρνητικά ηλεκτρόνια, αλλά όχι το αντίστροφο. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι για την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στην επιστήμη της ηλεκτρικής μηχανικής, παίρνουν την αντίθετη κατεύθυνση προς την κίνηση των ηλεκτρονίων. (2)

Η επιλογή της κατεύθυνσης απέναντι από την υπάρχουσα δεν μπορεί να θεωρηθεί αλλιώς παράδοξη, αλλά οι λόγοι αυτής της απόκλισης μπορούν να εξηγηθούν αν εντοπίσουμε την ιστορία της εξέλιξης της ηλεκτροτεχνίας ως επιστήμης.

Μεταξύ των πολλών θεωριών, μερικές φορές ακόμη και ανεκδοτικών, προσπαθώντας να εξηγήσω τα ηλεκτρικά φαινόμενα που εμφανίστηκαν την αυγή της επιστήμης του ηλεκτρισμού, ας μείνουμε δύο βασικά.

Ο Αμερικανός επιστήμονας B. Franklin πρότεινε τη λεγόμενη ενιαία θεωρία της ηλεκτρικής ενέργειας, σύμφωνα με την οποία η ηλεκτρική ύλη είναι ένα είδος αβλαβούς υγρού που μπορεί να διαρρεύσει από κάποια σώματα και να συσσωρευτεί σε άλλους. Σύμφωνα με τον Franklin, ένα ηλεκτρικό υγρό περιέχεται σε όλα τα σώματα και γίνεται ηλεκτρισμένο μόνο όταν υπάρχει έλλειψη ή περίσσεια ηλεκτρικού υγρού μέσα σε αυτά. Η έλλειψη υγρού σημαίνει αρνητική ηλεκτροδότηση · μια περίσσεια σημαίνει θετική. Έτσι εμφανίστηκε η έννοια του θετικού και αρνητικού φορτίου. (3) Όταν τα θετικά φορτισμένα σώματα συνδέονται με αρνητικά σώματα, ένα ηλεκτρικό υγρό (υγρό) περνά από ένα σώμα με αυξημένη ποσότητα υγρού σε σώματα με μειωμένη ποσότητα. Όπως και στα πλοία επικοινωνίας. Με την ίδια υπόθεση, η έννοια της κίνησης των ηλεκτρικών φορτίων - ηλεκτρικό ρεύμα - εισήλθε στην επιστήμη. (4)

Η υπόθεση του Franklin αποδείχθηκε εξαιρετικά γόνιμη και προέβλεψε την ηλεκτρονική θεωρία της αγωγής. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι απέχει πολύ από την τέλεια. Το γεγονός είναι ότι ο Γάλλος επιστήμονας Dufe ανακάλυψε ότι υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτρισμού, οι οποίοι, υπακούοντας σε κάθε μεμονωμένα θεωρία του Franklin, εξουδετερώνονται ο ένας τον άλλον μετά από επαφή. (5). Ο λόγος για την εμφάνιση μιας νέας δυαδικής θεωρίας της ηλεκτρικής ενέργειας, που προτάθηκε από τον Simmer με βάση τα πειράματα του Dufe, ήταν απλή. Παραδόξως, κατά τη διάρκεια πολλών δεκαετιών πειραμάτων με ηλεκτρικό ρεύμα, κανείς δεν παρατήρησε ότι, όταν τρίβει ηλεκτροφόρα σώματα, χρεώνεται όχι μόνο το τρίψιμο, αλλά και το τρίψιμο. Διαφορετικά, η υπόθεση Simmer απλώς δεν θα είχε εμφανιστεί. Αλλά το γεγονός ότι εμφανίστηκε έχει τη δική της ιστορική δικαιοσύνη. (6)

Η δυϊστική θεωρία θεώρησε ότι σε σώματα μιας συνήθους κατάστασης, δύο είδη ηλεκτρικού υγρού περιέχονται σε ΔΙΑΦΟΡΕΣ ποσότητες, εξουδετερώνοντας ο ένας τον άλλον. Η ηλεκτροκίνηση εξηγείται από το γεγονός ότι ο λόγος θετικής και αρνητικής ηλεκτρικής ενέργειας στα σώματα άλλαξε. Δεν είναι πολύ σαφές, αλλά ήταν απαραίτητο να εξηγήσουμε κάπως τα φαινόμενα της πραγματικής ζωής.

Και οι δύο υποθέσεις εξήγησαν επιτυχώς τα κύρια ηλεκτροστατικά φαινόμενα και για μεγάλο χρονικό διάστημα ανταγωνίζονταν μεταξύ τους. Η ιστορικά δυϊστική θεωρία προέβλεψε την ιοντική θεωρία της αγωγιμότητας των αερίων και των λύσεων. (7)

Η εφεύρεση της βολταϊκής στήλης το 1799 και η επακόλουθη ανακάλυψη του φαινομένου της ηλεκτρόλυσης επέτρεψαν να συμπεράνουμε ότι κατά την ηλεκτρόλυση υγρών και διαλυμάτων υπάρχουν δύο αντίθετες κατευθύνσεις της κίνησης των φορτίων - θετικές και αρνητικές. Η δυαδική θεωρία τριπλασιάστηκε, αφού κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης, για παράδειγμα, του νερού, θα μπορούσε κανείς να δει καθαρά ότι οι φυσαλίδες οξυγόνου εκπέμπονται στο θετικό ηλεκτρόδιο και απελευθερώνεται υδρογόνο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. (8). Ωστόσο, δεν ήταν όλα ομαλά εδώ. Κατά την αποσύνθεση του νερού, η ποσότητα των εκπεμπόμενων αερίων δεν ήταν η ίδια. Το υδρογόνο είχε διπλάσιο οξυγόνο. Αυτό αμηχανία. Πώς θα μπορούσε κάποιος τρέχων μαθητής να γνωρίζει ότι το άτομο οξυγόνου σε ένα μόριο νερού έχει δύο άτομα υδρογόνου (το περίφημο ashdvoo), αλλά οι χημικοί δεν έχουν καταλήξει σε αυτό ακόμα.

Δεν μπορεί να ειπωθεί ότι αυτές οι θεωρίες κατανοήθηκαν όχι μόνο από τους μαθητές, αλλά και από τους ίδιους τους επιστήμονες. Επαναστατικός Δημοκρατικός A.I. Ο Χέρζεν, από την πλευρά του, απόφοιτος της Σχολής Φυσικής και Μαθηματικών του Πανεπιστημίου της Μόσχας, έγραψε ότι αυτές οι υποθέσεις δεν βοηθούν και μάλιστα «κάνουν φοβερή ζημιά στους μαθητές δίνοντας τους λέξεις αντί για έννοιες, σκοτώνοντας το ερώτημα με ψευδή ικανοποίηση. "Τι είναι η ηλεκτρική ενέργεια;" - "Υγρό χωρίς βάρος". Δεν θα ήταν καλύτερα αν ο μαθητής απάντησε: "Δεν ξέρω."; " (10). Ακόμα, ο Χέρτζεν έκανε λάθος. Πράγματι, στη σύγχρονη ορολογία, το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει από το συν στο μείον της πηγής και δεν κινείται με κανέναν άλλο τρόπο και δεν είμαστε καθόλου ενοχλημένοι από αυτό.

Εκατοντάδες επιστήμονες από διάφορες χώρες διεξήγαγαν χιλιάδες πειράματα με βολτό, αλλά μόνο είκοσι χρόνια αργότερα ο Δανός επιστήμονας Oersted ανακάλυψε τη μαγνητική δράση ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Το 1820, το μήνυμά του δημοσιεύθηκε δηλώνοντας ότι ένας αγωγός με ρεύμα επηρεάζει τις μετρήσεις της μαγνητικής βελόνας. Μετά από πολυάριθμα πειράματα, δίνει έναν κανόνα με τον οποίο είναι δυνατός ο προσδιορισμός της κατεύθυνσης της απόκλισης της μαγνητικής βελόνας από το ρεύμα ή το ρεύμα από την κατεύθυνση του μαγνητικού βέλους. "Θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο: ο πόλος, ο οποίος βλέπει την αρνητική ηλεκτρική ενέργεια που εισέρχεται πάνω από την ίδια, αποκλίνει προς τα ανατολικά". Ο κανόνας είναι τόσο ασαφής ότι ένας σύγχρονος γραμματέας δεν καταλαβαίνει αμέσως πώς να το χρησιμοποιήσει, αλλά τι γίνεται με το χρόνο που οι έννοιες δεν έχουν ακόμη καθοριστεί.

Επομένως, ο Αμπερέ, στο έργο του που παρουσιάστηκε από την Ακαδημία Επιστημών των Παρισίων, αποφασίζει πρώτα να πάρει μία από τις κατευθύνσεις των ρευμάτων ως κύριο και στη συνέχεια δίνει έναν κανόνα με τον οποίο μπορεί κανείς να προσδιορίσει την επίδραση των μαγνητών στα ρεύματα. Διαβάζουμε: "Δεδομένου ότι θα έπρεπε να μιλάω συνεχώς για δύο αντίθετες κατευθύνσεις όπου τόσο η ροή ηλεκτρικής ενέργειας, για να αποφευχθούν οι περιττές επαναλήψεις, μετά τις λέξεις DIRECTION OF ELECTRIC CURRENT, θα σημαίνω πάντα θετικό ηλεκτρισμό" Έτσι εισήχθη για πρώτη φορά ο γενικά αποδεκτός κανόνας κατεύθυνσης τρέχουσα. Πράγματι, πριν από την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου ήταν περισσότερα από εβδομήντα χρόνια. (11).

Στους 17-19 αιώνα στην Ευρώπη, η MONEMONICS έγινε ευρέως διαδεδομένη. ή την τέχνη της απομνημόνευσης, δηλαδή, ένα σύστημα διαφόρων τεχνικών που διευκολύνουν την απομνημόνευση μέσω του σχηματισμού τεχνητών συσχετίσεων. Για παράδειγμα, η ποίηση είναι γνωστή για την ανάμνηση του αριθμού των PI - "Ποιος είναι αστείο και σύντομα θα ήθελε ...", που είναι πάνω από εκατό ετών. Ή ένα ρητό για τους φασιανούς και τους κυνηγούς να θυμάται τη διάταξη των χρωμάτων του ηλιακού φάσματος .. Αυτοί είναι μνημονικοί κανόνες.

Ο ίδιος κανόνας επινοήθηκε από τον Ampère για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των δυνάμεων σε έναν αγωγό με ρεύμα. Ονομάστηκε "κανόνας κολυμβητή". Δεν το δίνουμε, επειδή ήταν επίσης ανεπιτυχής και δεν ριζώθηκε. Αλλά η κατεύθυνση του ρεύματος σε όλους τους κανόνες συνεπάγεται την κίνηση των θετικά φορτισμένων σωματιδίων. (12)

Αργότερα, ο Maxwell προσχώρησε και σε αυτόν τον κανόνα, ο οποίος ήρθε με τον κανόνα του "τιρμπουσού" ή του "gimlet" για να καθορίσει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου του πηνίου. Είναι εξοικειωμένος με κάθε μαθητή. Ωστόσο, το ζήτημα της πραγματικής κατεύθυνσης του ρεύματος παρέμεινε ανοιχτό. Εδώ έγραψε ο Faraday: "Αν το πω. ότι το ρεύμα πηγαίνει από ένα θετικό μέρος σε ένα αρνητικό είναι μόνο σε συμφωνία με το παραδοσιακό, αν και σε κάποιο βαθμό σιωπηλή συμφωνία μεταξύ των επιστημόνων και την παροχή τους σταθερά σαφή και σαφή μέσα για την ένδειξη της κατεύθυνσης των δυνάμεων αυτού του ρεύματος". (13. πλάγιες δικές μας, BH)

Μετά την ανακάλυψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής από τον Faraday (που προκαλεί ρεύμα σε έναν αγωγό σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο), κατέστη αναγκαίο να καθοριστεί η κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος. Αυτός ο κανόνας δόθηκε από τον εξαιρετικό Ρώσο φυσικό E.Kh. Lents. (14). Διαβάζει: "Αν ένας μεταλλικός αγωγός κινείται κοντά σε ένα ρεύμα ή ένα μαγνήτη, τότε δημιουργείται ένα γαλβανικό ρεύμα. Η κατεύθυνση αυτού του ρεύματος είναι τέτοια ώστε το σύρμα σε ηρεμία να έρχεται από αυτό σε κίνηση, απέναντι από την πραγματική κίνηση. " (15). Δηλαδή, ο κανόνας κατέληξε στον τύπο του "ζητήστε συμβουλές και κάντε το αντίθετο".

Οι κανόνες που είναι γνωστοί στον σημερινό μεταπτυχιακό φοιτητή ως «κανόνας του αριστερού χεριού» και «κανόνας του δεξιού χεριού» στην τελική μορφή προτάθηκαν από τον αγγλικό φυσικό Φλέμινγκ και χρησιμεύουν στην απλοποίηση της μνήμης του φυσικού φαινομένου σε φυσικούς, μαθητές και μαθητές και όχι στην αποτροπή τους.

Αυτοί οι κανόνες εισάγονται ευρέως στην πρακτική και στα εγχειρίδια της φυσικής και μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου πρέπει να αλλάξει πολύ, και όχι μόνο στα εγχειρίδια, εάν επισημαίνεται η πραγματική κατεύθυνση του ρεύματος. Και αυτή η σύμβαση ζει για περισσότερο από έναν αιώνα και μισό. Αρχικά, δεν προκάλεσε δυσκολίες, αλλά με την εφεύρεση του ηλεκτρονικού λαμπτήρα (ειρωνικά, ο Φλέμινγκ εφευρέθηκε ο πρώτος σωλήνας ραδιοφώνου) και η ευρεία χρήση των ημιαγωγών, άρχισαν να δημιουργούνται δυσκολίες. Ως εκ τούτου, οι φυσικοί και οι ειδικοί ηλεκτρονικών ειδών προτιμούν να μην μιλάνε για τις κατευθύνσεις του ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά για τις κατευθύνσεις της κίνησης των ηλεκτρονίων ή των φορτίων. Αλλά η ηλεκτροτεχνική εξακολουθεί να λειτουργεί με παλιούς ορισμούς. Μερικές φορές αυτό προκαλεί σύγχυση. Θα μπορούσαν να γίνουν προσαρμογές, αλλά θα προκαλούσε περισσότερη δυσχέρεια από τις υπάρχουσες;