Sejarah paradoks kejuruteraan elektrik

Jika anda menyusun litar elektrik dari sumber semasa, pengguna tenaga dan wayar yang menghubungkannya, tutupnya, maka arus elektrik akan mengalir di sepanjang litar ini. Adalah munasabah untuk bertanya: "Dan ke arah mana?" Buku teks pada asas teoretikal kejuruteraan elektrik memberi jawapan: "Dalam litar luaran, arus mengalir dari tambah sumber tenaga ke tolak, dan di dalam sumber dari tolak ke tambah" (1).

Adakah begitu? Ingat bahawa arus elektrik adalah pergerakan yang diarahkan zarah-zarah yang dikenakan elektrik. Mereka yang dalam konduktor logam zarah bercas negatif - elektron. Tetapi elektron dalam litar luaran bergerak hanya sebaliknya dari tolak sumber ke tambah. Ini boleh dibuktikan dengan sangat mudah. Ia cukup untuk meletakkan lampu elektronik - sebuah diod di litar di atas. Sekiranya anod lampu itu bercas positif, maka arus dalam litar akan, jika negatif, maka tidak akan ada arus. Ingatlah bahawa caj bertentangan menarik, dan seperti menafikan caj. Oleh itu, anod positif menarik elektron negatif, tetapi tidak sebaliknya. Kami menyimpulkan bahawa untuk arah arus elektrik dalam sains kejuruteraan elektrik, mereka mengambil arah yang bertentangan dengan pergerakan elektron. (2)

Pilihan arah yang bertentangan dengan yang ada tidak dapat dipanggil sebaliknya paradoks, tetapi alasan untuk percanggahan itu dapat dijelaskan jika kita mengesan sejarah perkembangan kejuruteraan elektrik sebagai sains.

Di antara banyak teori, kadang-kadang walaupun anekdot, cuba untuk menjelaskan fenomena elektrik yang muncul pada awal sains elektrik, marilah kita berpegang pada dua perkara utama.

Ahli sains Amerika B. Franklin mengemukakan teori kesatuan yang disebut elektrik, yang menurutnya benda elektrik adalah jenis cairan tanpa berat yang dapat membocorkan beberapa badan dan terkumpul di pihak lain. Menurut Franklin, cecair elektrik terkandung dalam semua badan, dan menjadi terpadat hanya apabila ada kekurangan atau lebihan cairan elektrik di dalamnya. Kekurangan cecair bermakna elektrifikasi negatif; kelebihan bererti positif. Jadi konsep caj positif dan negatif muncul. (3) Apabila badan bermuatan positif dihubungkan dengan badan-badan negatif, cecair elektrik (cecair) melepasi dari badan dengan peningkatan jumlah cecair kepada badan dengan jumlah yang dikurangkan. Seperti dalam perkongsian kapal. Dengan hipotesis yang sama, konsep pergerakan cas elektrik - arus elektrik - masuk ke sains. (4)

Hipotesis Franklin terbukti sangat berbuah dan menjangkakan teori pengaliran elektronik.Namun, ia ternyata jauh dari sempurna. Hakikatnya adalah bahawa saintis Perancis Dufe mendapati bahawa terdapat dua jenis elektrik, yang mematuhi setiap teori Franklin secara individu, menetralkan satu sama lain apabila dihubungi. (5). Sebab kemunculan teori elektrik dualistik baru, yang dikemukakan oleh Simmer berdasarkan eksperimen Dufe, adalah mudah. Menghairankan, selama beberapa dekad percubaan dengan elektrik, tidak ada yang menyedari bahawa ketika menggosok badan-badan elektrik, bukan hanya menggosok, tetapi juga menggosok badan dikenakan. Jika tidak, hipotesis Simmer semestinya tidak muncul. Tetapi hakikat bahawa dia muncul mempunyai keadilan sejarahnya sendiri. (6)

Teori dualistik menganggap bahawa dalam keadaan biasa dua jenis cecair elektrik terkandung dalam jumlah BERBEZA, menetralkan satu sama lain. Elektrifikasi dijelaskan oleh fakta bahawa nisbah elektrik positif dan negatif dalam badan berubah. Ia tidak begitu jelas, tetapi perlu untuk menerangkan fenomena kehidupan sebenar.

Kedua-dua hipotesis berjaya menjelaskan fenomena elektrostatik utama dan untuk masa yang lama bersaing dengan satu sama lain. Teori dualistik sejarah menjangka teori ionik konduktiviti gas dan penyelesaian. (7)

Penciptaan lajur volta pada tahun 1799 dan penemuan fenomena elektrolisis yang berikutnya membolehkan kita menyimpulkan bahawa semasa elektrolisis cecair dan penyelesaian dua arah bertentangan dengan pergerakan caj yang diperhatikan di dalamnya - positif dan negatif. Teori dualistik berjaya, kerana semasa penguraian, sebagai contoh, air, dapat melihat dengan jelas bahawa gelembung oksigen dipancarkan pada elektrod positif, dan hidrogen pada elektroda negatif. (8). Walau bagaimanapun, tidak semuanya berjalan lancar di sini. Semasa penguraian air, jumlah gas yang dipancarkan tidak sama. Hidrogen mempunyai oksigen sebanyak dua kali ganda. Ini bingung. Bagaimanakah anak-anak sekolah sekarang, yang tahu bahawa terdapat dua atom hidrogen (ashdvo terkenal) dalam molekul air dalam molekul air, tetapi ahli kimia tidak datang dengan ini lagi.

Tidak dapat dikatakan bahawa teori-teori ini difahami bukan sahaja oleh para pelajar, tetapi juga oleh saintis sendiri. Demokrat Revolusi A.I. Herzen, dengan lepasan Fakulti dan Matematik Fakulti Universiti Moscow, menulis bahawa hipotesis ini tidak membantu, dan bahkan "melakukan kemudaratan yang teruk kepada pelajar dengan memberi mereka perkataan daripada konsep, membunuh soalan dengan kepuasan palsu. "Apakah elektrik?" - "Cecair tanpa Berat". Bukankah lebih baik jika pelajar menjawab: "Saya tidak tahu."? " (10). Namun, Herzen adalah salah. Sesungguhnya, dalam terminologi moden, arus elektrik mengalir dari tambah ke tolak sumber, dan tidak bergerak dengan cara yang lain, dan kita sama sekali tidak kecewa dengan ini.

Ratusan saintis dari negara-negara yang berlainan melakukan ribuan eksperimen dengan tiang volt, tetapi hanya dua puluh tahun kemudian, saintis Denmark Oersted menemui tindakan magnetik arus elektrik. Pada tahun 1820, mesejnya diterbitkan yang menyatakan bahawa konduktor dengan arus mempengaruhi bacaan jarum magnet. Selepas pelbagai eksperimen, dia memberikan peraturan yang memungkinkan untuk menentukan arah penyimpangan jarum magnet dari arus atau arus dari arah anak panah magnetik. "Kami akan menggunakan formula: tiang, yang melihat elektrik negatif memasuki di atas dirinya sendiri, menyimpang ke timur." Peraturannya begitu samar-samar bahawa orang yang melek huruf moden tidak segera memikirkan cara menggunakannya, tetapi bagaimana dengan masa konsep belum ditetapkan.

Oleh itu, Ampere, dalam karyanya yang dikemukakan oleh Akademi Sains Paris, mula memutuskan untuk mengambil salah satu arah arus sebagai yang utama, dan kemudian memberikan satu peraturan yang dapat menentukan kesan magnet pada arus. Kita membaca: "Oleh kerana saya perlu sentiasa bercakap tentang dua arah yang bertentangan di mana aliran elektrik, maka, untuk mengelakkan pengulangan yang tidak perlu, selepas kata-kata ARAHKAN SURAT ELEKTRIK, saya akan sentiasa bermaksud elektrik POSITIF" Oleh itu, arahan arahan yang diterima umum mula diperkenalkan semasa. Malah, sebelum penemuan elektron itu lebih daripada tujuh puluh tahun. (11).

Dalam abad ke 17-19 di Eropah, MONEMONICS menjadi semakin meluas. atau seni hafalan, iaitu, sistem pelbagai teknik yang memudahkan hafalan melalui pembentukan persatuan buatan. Sebagai contoh, puisi terkenal kerana mengingati bilangan PI - "Siapa yang bercanda dan tidak lama lagi ingin ...", yang berusia lebih dari seratus tahun. Atau ucapan mengenai pheasants dan pemburu untuk mengingati susunan warna spektrum suria .. Ini adalah peraturan mnemonik.

Peraturan yang sama dicipta oleh Ampère untuk menentukan arah daya pada konduktor dengan arus. Ia dipanggil "peraturan perenang." Kami tidak memberikannya, kerana ia juga tidak berjaya dan tidak berakar. Tetapi arah semasa dalam semua peraturan menunjukkan pergerakan zarah bercas positif. (12)

Kemudian, Maxwell juga berpegang pada kanon ini, yang datang dengan peraturan "corkscrew" atau "gimlet" untuk menentukan arah medan magnet gegelung. Ia biasa kepada setiap pelajar. Walau bagaimanapun, persoalan arah sebenar semasa masih terbuka. Inilah yang Faraday menulis: "Jika saya katakan. bahawa arus berjalan dari tempat yang positif kepada yang negatif hanya dalam persetujuan dengan tradisi, walaupun sedikit sebanyak senyap perjanjian antara saintis dan penyediaannya tetap jelas dan pasti untuk menunjukkan arah kuasa semasa ini". (13. Italik kita BH)

Selepas penemuan induksi elektromagnetik oleh Faraday (mendorong arus dalam konduktor dalam medan magnet yang berubah-ubah), ia menjadi perlu untuk menentukan arah arus induksi. Peraturan ini diberikan oleh ahli fizik Rusia E.Kh. Lent yang cemerlang. (14). Ia berbunyi: "Jika konduktor logam bergerak berhampiran arus atau magnet, maka arus galvanik timbul di dalamnya. Arus arus ini adalah sedemikian rupa sehingga dawai itu akan bergerak daripadanya bergerak, bertentangan dengan gerakan sebenar. " (15). Iaitu, peraturan itu datang kepada jenis "meminta nasihat dan melakukan sebaliknya."

Peraturan yang diketahui oleh lulusan sekolah semasa sebagai "pemerintahan tangan kiri" dan "pemerintahan tangan kanan" dalam bentuk akhir dicadangkan oleh ahli fizik Inggeris Fleming dan mereka berfungsi untuk mengingatkan fenomena fizikal kepada ahli fizik, pelajar dan anak sekolah, dan tidak menipu mereka.

Peraturan ini secara meluas dimasukkan ke dalam amalan dan buku teks fizik, dan selepas penemuan elektron sangat banyak perlu diubah, dan bukan hanya dalam buku teks, jika arah sebenar arus ditunjukkan. Dan konvensyen ini hidup selama lebih dari satu setengah abad. Pada mulanya ia tidak menimbulkan kesulitan, tetapi dengan penciptaan lampu elektronik (ironinya, Fleming mencipta tiub radio pertama) dan penggunaan semikonduktor yang meluas, kesukaran mula muncul. Oleh itu, ahli fizik dan elektronik lebih suka tidak bercakap mengenai arahan arus elektrik, tetapi mengenai arahan pergerakan elektron, atau caj. Tetapi kejuruteraan elektrik masih beroperasi pada definisi lama. Kadang-kadang ini menyebabkan kekeliruan. Pelarasan boleh dibuat, tetapi akan menyebabkan lebih banyak kesulitan daripada yang sedia ada?