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La storia di un paradosso dell'ingegneria elettrica
Se si compone un circuito elettrico da una fonte di corrente, un consumatore di energia e i fili che li collegano, lo si chiude, quindi una corrente elettrica scorrerà lungo questo circuito. È ragionevole chiedere: "E in quale direzione?" Il libro di testo sui fondamenti teorici dell'ingegneria elettrica fornisce la risposta: "Nel circuito esterno, la corrente scorre dal più della fonte di energia al meno, e all'interno della fonte dal meno al più" (1).
È così? Ricordiamo che una corrente elettrica è il movimento ordinato di particelle cariche elettricamente. Quelli nei conduttori metallici sono particelle cariche negativamente - elettroni. Ma gli elettroni nel circuito esterno si muovono esattamente al contrario dal meno della sorgente al positivo. Questo può essere dimostrato molto semplicemente. È sufficiente inserire una lampada elettronica - un diodo nel circuito sopra. Se l'anodo della lampada è caricato positivamente, allora la corrente nel circuito sarà, se è negativa, quindi non ci sarà corrente. Ricordiamo che le cariche opposte si attraggono e che simili cariche si respingono. Pertanto, l'anodo positivo attira elettroni negativi, ma non viceversa. Concludiamo che per la direzione della corrente elettrica nella scienza dell'ingegneria elettrica, prendono la direzione opposta al moto degli elettroni. (2)
La scelta della direzione opposta a quella esistente non può essere definita altrimenti paradossale, ma le ragioni di tale discrepanza possono essere spiegate se si traccia la storia dello sviluppo dell'ingegneria elettrica come scienza.
Tra le molte teorie, a volte anche aneddotiche, che cercano di spiegare i fenomeni elettrici che sono comparsi agli albori della scienza dell'elettricità, soffermiamoci su due principali.
Lo scienziato americano B. Franklin avanzò la cosiddetta teoria unitaria dell'elettricità, secondo la quale la materia elettrica è una specie di liquido senza peso che potrebbe fuoriuscire da alcuni corpi e accumularsi in altri. Secondo Franklin, un fluido elettrico è contenuto in tutti i corpi e diventa elettrificato solo quando vi è una mancanza o un eccesso di fluido elettrico in essi. Una mancanza di liquido significa elettrificazione negativa; un eccesso significa positivo. Quindi è apparso il concetto di carica positiva e negativa. (3) Quando i corpi caricati positivamente sono collegati con corpi negativi, un fluido elettrico (fluido) passa da un corpo con una maggiore quantità di liquido a corpi con una quantità ridotta. Come nelle navi comunicanti. Con la stessa ipotesi, il concetto di movimento delle cariche elettriche - corrente elettrica - è entrato nella scienza. (4)
L'ipotesi di Franklin si rivelò estremamente fruttuosa e anticipò la teoria elettronica della conduzione, ma si rivelò tutt'altro che perfetta. Il fatto è che lo scienziato francese Dufe ha scoperto che esistono due tipi di elettricità che, obbedendo a ciascuna teoria di Franklin individualmente, si neutralizzavano al contatto. (5). La ragione dell'emergere di una nuova teoria dualistica dell'elettricità, proposta da Simmer sulla base degli esperimenti di Dufe, era semplice. Sorprendentemente, nel corso di molti decenni di esperimenti con l'elettricità, nessuno ha notato che quando si sfregano i corpi elettrificati, non solo si sfrega il corpo, ma anche lo sfregamento. Altrimenti, l'ipotesi di Simmer non sarebbe semplicemente apparsa. Ma il fatto che sia apparsa ha la sua giustizia storica. (6)
La teoria dualistica considerava che nei corpi di uno stato normale due tipi di fluido elettrico sono contenuti in DIVERSE quantità, neutralizzandosi a vicenda. L'elettrificazione è stata spiegata dal fatto che il rapporto tra elettricità positiva e negativa nei corpi è cambiato. Non è molto chiaro, ma era necessario spiegare in qualche modo i fenomeni della vita reale.
Entrambe le ipotesi hanno spiegato con successo i principali fenomeni elettrostatici e per lungo tempo si sono confrontati. La teoria storicamente dualistica ha anticipato la teoria ionica della conducibilità di gas e soluzioni. (7)
L'invenzione della colonna voltaica nel 1799 e la successiva scoperta del fenomeno dell'elettrolisi hanno permesso di concludere questo durante l'elettrolisi di liquidi e soluzioni in essi si osservano due direzioni opposte del movimento delle cariche: positivo e negativo. La teoria dualistica trionfò, poiché durante la decomposizione, ad esempio, dell'acqua, si poteva chiaramente vedere che sull'elettrodo positivo venivano emesse bolle di ossigeno e che l'elettrodo veniva rilasciato sull'elettrodo negativo. (8). Tuttavia, non tutto è andato liscio qui. Durante la decomposizione dell'acqua, la quantità di gas emessi non era la stessa. L'idrogeno aveva il doppio dell'ossigeno. Questo sconcertato. Come potrebbero tutti gli scolari attuali, che sapevano che ci sono due atomi di idrogeno nella molecola d'acqua nella molecola d'acqua (il famoso ashdvo), ma i chimici non hanno ancora trovato questo.
Non si può dire che queste teorie siano state comprese non solo dagli studenti, ma anche dagli stessi scienziati. Democratico rivoluzionario A.I. Herzen, tra l'altro, laureato alla Facoltà di Fisica e Matematica dell'Università di Mosca, ha scritto che queste ipotesi non aiutano e persino “fanno un danno terribile agli studenti dando loro parole anziché concetti, uccidendo la domanda con falsa soddisfazione. "Che cos'è l'elettricità?" - "Liquido senza peso". Non sarebbe meglio se lo studente rispondesse: "Non lo so". " (10). Tuttavia, Herzen aveva torto. In effetti, nella terminologia moderna, la corrente elettrica scorre dal più al meno della sorgente e non si muove in nessun altro modo, e non ne siamo affatto turbati.
Centinaia di scienziati provenienti da diversi paesi hanno condotto migliaia di esperimenti con un polo volt, ma solo venti anni dopo, lo scienziato danese Oersted ha scoperto l'azione magnetica di una corrente elettrica. Nel 1820, il suo messaggio fu pubblicato affermando che un conduttore con corrente influenza le letture dell'ago magnetico. Dopo numerosi esperimenti, dà una regola in base alla quale è possibile determinare la direzione di deviazione dell'ago magnetico dalla corrente o corrente dalla direzione della freccia magnetica. "Useremo la formula: il polo, che vede l'elettricità negativa entrare sopra se stesso, devia verso est." La regola è così vaga che una persona alfabetizzata moderna non capisce immediatamente come usarla, ma per quanto riguarda il tempo in cui i concetti non sono ancora stati stabiliti.
Pertanto, Ampere, nel suo lavoro presentato dall'Accademia delle scienze di Parigi, prima decide di prendere una delle direzioni delle correnti come quella principale, e quindi dà una regola in base alla quale si può determinare l'effetto dei magneti sulle correnti. Leggiamo: "Dato che dovrei parlare costantemente di due direzioni opposte in cui fluisce entrambe le elettricità, quindi, per evitare inutili ripetizioni, dopo le parole DIREZIONE DELLA CORRENTE ELETTRICA, intenderò sempre elettricità POSITIVA" Quindi, la regola di direzione generalmente accettata è stata introdotta per la prima volta corrente. Anzi, prima della scoperta dell'elettrone erano trascorsi più di settant'anni. (11).
Nei secoli 17-19 in Europa, MONEMONICS si diffuse. o l'arte della memorizzazione, cioè un sistema di varie tecniche che facilitano la memorizzazione attraverso la formazione di associazioni artificiali. Ad esempio, la poesia è nota per ricordare il numero di PI - "Chi sta scherzando e desidererà presto ...", che hanno più di cento anni. O un detto su fagiani e cacciatori per ricordare la disposizione dei colori dello spettro solare. Queste sono regole mnemoniche.
La stessa regola fu inventata da Ampère per determinare la direzione delle forze su un conduttore con corrente. Si chiamava "regola del nuotatore". Non lo diamo, perché non ha avuto successo e non ha messo radici. Ma la direzione della corrente in tutte le regole implicava il movimento di particelle cariche positivamente. (12)
Più tardi, Maxwell aderì anche a questo canone, che si avvicinò con la regola del "cavatappi" o "gimlet" per determinare la direzione del campo magnetico della bobina. È familiare a tutti gli studenti. Tuttavia, la questione della vera direzione della corrente è rimasta aperta. Ecco cosa ha scritto Faraday: “Se lo dico. che la corrente passa da un posto positivo a uno negativo è solo in accordo con il tradizionale, sebbene in una certa misura silenzioso accordo tra scienziati e fornire loro mezzi chiari e definiti costanti per indicare la direzione delle forze di questa corrente". (13. Corsivo nostro. BH)
Dopo la scoperta dell'induzione elettromagnetica da parte di Faraday (che induce una corrente in un conduttore in un campo magnetico variabile), è diventato necessario determinare la direzione della corrente indotta. Questa regola fu data dall'eccezionale fisico russo E.Kh. Lents. (14). Si legge: “Se un conduttore metallico si avvicina a una corrente o un magnete, allora una corrente galvanica sorge in esso. La direzione di questa corrente è tale che il filo fermo verrebbe da esso in movimento, in opposizione al movimento reale. " (15). Cioè, la regola è arrivata al tipo di "chiedi consiglio e fai il contrario".
Le regole conosciute dall'attuale diplomato come "regola della mano sinistra" e "regola della mano destra" nella forma finale sono state proposte dal fisico inglese Fleming e servono a SEMPLIFICARE la memoria del fenomeno fisico a fisici, studenti e scolari, e non per ingannarli.
Queste regole sono ampiamente inserite nella pratica e nei libri di testo della fisica e, dopo la scoperta dell'elettrone, molto dovrebbe essere cambiato, e non solo nei libri di testo, se fosse indicata la vera direzione della corrente. E questa convenzione dura da più di un secolo e mezzo. All'inizio non causò difficoltà, ma con l'invenzione della lampada elettronica (ironicamente, Fleming inventò il primo tubo radio) e l'uso diffuso di semiconduttori, iniziarono a sorgere difficoltà. Pertanto, i fisici e gli esperti di elettronica preferiscono non parlare delle direzioni della corrente elettrica, ma delle direzioni del moto degli elettroni o delle cariche. Ma l'ingegneria elettrica funziona ancora su vecchie definizioni. A volte questo provoca confusione. Si potrebbero apportare modifiche, ma ciò comporterebbe più inconvenienti rispetto a quelli esistenti?
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