|
Хасапов Б. Г.
Якщо скласти електричне коло з джерела струму, споживача енергії і з'єднують їх проводів, замкнути її, то по цьому ланцюзі потече електричний струм. Резонно запитати: «А в якому напрямку?» Підручник теоретичних основ електротехніки дає відповідь: «У зовнішній ланцюга струм тече від плюса джерела енергії до мінуса, а в усередині джерела від мінуса до плюса» (1).
Чи так це? Згадаймо, що електричним струмом називається впорядкований рух електрично заряджених частинок. Такими в металевих провідниках є негативно заряджені частинки - електрони. Але ж електрони в зовнішньому ланцюзі рухаються якраз навпаки від мінуса джерела до плюса. Це можна довести дуже просто. Досить поставити в вищевказану ланцюг електронну лампу - діод. У разі, якщо анод лампи буде заряджений позитивно, то струм в ланцюзі буде, якщо ж негативно, то струму не буде. Нагадаємо, що різнойменні заряди притягуються, а однойменні - відштовхуються. Тому позитивний анод притягує негативні електрони, але не навпаки. Зробимо висновок, що за напрям електричного струму в науці електротехніці приймають напрямок протилежний рух електронів. (2)
Вибір напрямку, протилежний існуючого, інакше як парадоксальним назвати не можна, але пояснити причини такої невідповідності можна, якщо простежити історію розвитку електротехніки як науки.
Серед безлічі теорій, іноді навіть анекдотичних, що намагаються пояснити електричні явища, що з'явилися на зорі науки про електрику, зупинимося на двох основних.
Американський вчений Б. Франклін висунув так звану унітарну теорію електрики, по якій електрична матерія являє собою якусь невагому рідину, яка могла витікати з одних тіл і накопичуватися в інших. Згідно Франкліну, електрична рідина міститься в усіх тілах, а наелектризованим стає тільки тоді, коли в них буває недолік або надлишок електричного флюїду. Недолік флюїду означає негативну електризацію, надлишок - позитивну. Так з'явилося поняття позитивного і негативного заряду. (3) При з'єднанні позитивно заряджених тіл з негативними електрична рідина (флюїд) переходить від тіла з підвищеною кількістю рідини до тіл зі зниженою кількістю. Як в сполучених посудинах. З цієї ж гіпотезою в науку увійшло поняття руху електричних зарядів - електричного струму. (4)
Гіпотеза Франкліна виявилася надзвичайно плідною і передбачила електронну теорію провідності, Однак вона виявилася далеко не бездоганною. Справа в тому, що французький вчений Дюфе виявив, що існує два види електрики, які, підкоряючись кожне окремо теорії Франкліна, при зіткненні нейтралізували один одного. (5). Причиною появи нової дуалістичної теорії електрики, висунутої Сіммером на підставі дослідів Дюфе, була простою. Як це не вражає, але протягом багатьох десятиліть експериментів з електрикою ніхто не помітив, що при натирання електрізуемость тел, заряджається не тільки натирати, а й натирати тіло. Інакше гіпотеза Сіммера просто б не з'явилася. Але в тому, що вона з'явилася є своя історична справедливість. (6)
Дуалістична теорія вважала, що в тілах звичайному стані містяться два роду електричної рідини в РІЗНИХ кількостях, що нейтралізують один одного. Електризація пояснювалася тим, що співвідношення позитивних і негативних електрики в тілах змінювалося. Не дуже зрозуміло, але треба ж було якось пояснювати реально існуючі явища.
Обидві гіпотези з успіхом пояснювали основні електростатичні явища і довгий час конкурували один з одним. Історично дуалістична теорія передбачила іонну теорію провідності газів і розчинів. (7)
Винахід вольтова стовпа в 1799 р і наступне за ним відкриття явища електролізу дозволило зробити висновки про те, що при електролізі рідин і розчинів в них спостерігається два протилежні напрямки руху зарядів - позитивного і негативного. Дуалістична теорія тріумфувала, так як при розкладанні, наприклад, води наочно можна було бачити, що на позитивних пластинах виділяються бульбашки кисню, а на негативному - водню. (8). Однак і тут було не все гладко. При розкладанні води кількість виділених газів було неоднаково. Водню було вдвічі більше кисню. Це ставило в глухий кут. Як міг би допомогти вченим того часу будь-який нинішній школяр, що знає, що в молекулі води на атом кисню доводиться два атома водню (знамените ашдвао) але хіміки до цього ще не додумалися.
Не можна сказати, що ці теорії були зрозумілі не тільки учням, а й самим ученим. Революційний демократ А.І. Герцен, до речі, випускник фізико-математичного факультету Московського університету, писав, що ці гіпотези не допомагають, а навіть «роблять страшну шкоду учням, даючи їм слова замість понять, вбиваючи в них питання хибним задоволенням. "Що є електрика?" - "Hевесомая рідина". Чи не правда краще було б, якби учень відповідав: "Не знаю."? »(10). Все-таки не правий був Герцен. Адже в сучасній термінології електричний струм ТЕЧЕ від плюса до мінуса джерела, а не як-небудь інакше пересувається і ми аніскільки цим не засмучені.
Сотні вчених різних країн проводили тисячі дослідів з вольта стовпом, але тільки через двадцять років датським вченим Ерстед було відкрито магнітне дію електричного струму. У 1820 р було опубліковано його повідомлення про те, що провідник зі струмом впливає на показання магнітної стрілки. Після численних експериментів він дає правило, за яким можна визначити напрямок відхилення магнітної стрілки від струму або струму від напрямку магнітної стрілки. «Ми будемо користуватися формулою: полюс, який бачить негативне електрику, що входять над собою, відхиляється на схід». Правило настільки туманне, що сучасний грамотна людина не відразу і розбереться як ним скористатися, а що ж говорити про той час, коли поняття ще не устоялися.
Тому Ампер у праці, представленому Паризької академії наук, спочатку вирішує прийняти одне з напрямків струмів за основне, а потім дає правило, за яким можна визначити дію магнітів на струми. Читаємо: «Так як мені довелося б постійно говорити про двох протилежних напрямках, по яких течуть обидва електрики, то, щоб уникнути зайвих повторень, після слів НАПРЯМОК ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ, я буду кожного разу мати на увазі ПОЗИТИВНОГО електрики» Так вперше було введено нині загальноприйняте правило напрямки струму. Адже до відкриття електрона було понад сімдесят років. (11).
У 17-19 століттях в Європі набула широкого поширення мнемоніку. або мистецтво запам'ятовування, тобто система різних прийомів, які полегшують запам'ятовування шляхом утворення штучних асоціацій. Наприклад відомі вірші для запам'ятовування числа ПІ - «Хто і жартома і скоро пожелает ...», яким більше ста років. Або приказку на рахунок фазанів і мисливців для запам'ятовування порядку розташування кольорів сонячного спектра .. Це мнемонічні правила.
Таке ж правило було придумано Ампером для визначення напрямків сил на провідник зі струмом. Воно називалося «правилом плавця». Ми його не наводимо, бо воно було теж невдалим і не прищепилося. Але напрямок струму в усіх правилах мало на увазі рух ПОЗИТИВНО заряджених частинок. (12)
Цього канону дотримувався пізніше і Максвелл, який придумав правило «пробочнік» або «гвинта» для визначення напрямку магнітного поля котушки. Воно знайоме кожному школяреві. Однак питання про справжній напрямку струму залишався відкритим. Ось що писав Фарадей: «Якщо я говорю. що струм йде від позитивного місця до негативного, то лише в згоді з традиційним, хоча до деякої міри мовчазним угодою, укладеною між вченими і забезпечує їм постійне ясне і певний засіб для вказівки напряму сил цього струму ». (13. Курсив наш. БХ)
Після відкриття електромагнітної індукції Фарадеєм (наведення струму в провіднику в змінюваному магнітному полі) виникла необхідність для визначення напрямку індукованого струму. Це правило дав видатний російський фізик Е.Х.Ленц. (14). У ньому йдеться: «Якщо металевий провідник переміщається поблизу струму або магніту, то в ньому виникає гальванічний струм. Напрямок цього струму таке, що спочивають провід прийшов би від нього в рух, протилежне дійсному переміщенню ». (15). Тобто правило зводилося до такого типу, як «запитай рада і ходи навпаки».
Правила, відомі нинішнім випускника шкіл, як «правило лівої руки» і «правило правої руки» в остаточному вигляді запропонував англійський фізик Флемінг і служать вони для ПОЛЕГШЕННЯ ЗАПАМ'ЯТОВУВАННЯ фізичного явища фізикам, студентам і школярам, а не для того, щоб їм морочити голови.
Ці правила широко увійшли в практику і підручники фізики і після відкриття електрона дуже багато довелося б змінювати і не тільки в підручниках, якщо вказувати справжнє напрямок струму. Так і живе ця умовність понад півтора століття. Спочатку вона не викликала труднощів, але з винаходом електронної лампи (за іронією долі першу радіолампу винайшов Флемінг) і широким застосуванням напівпровідників почали виникати труднощі. Тому фізики і фахівці з електроніки вважають за краще говорити не про напрямки електричного струму, а про напрямки руху електронів, або зарядів. Але електротехніка і раніше оперує старими визначеннями. Іноді це викликає плутанину. Можна було б внести корективи, але не викличе це більше незручностей, ніж існуючі?
Список літератури
1. Л.А.Бессонов. Теоретичні основи електротехніки. М., Вища школа, 1957, с.8.
2. Н.І.Мансуров, В.С.Попов. Теоретична електротехніка. М., Енергія, 1968, с.46.
3. В.Франклін. Досліди і спостереження над електрикою. АН СРСР, М,. 1956, с.12-13.
4. А.Г.Столетов. Огляд теорії електрики. Московські університетські вісті. М, 1866, № 1, Неофіт. відділ. с.26-46 ..
5. М.І.Радовскій. Дюфе - засновник дуалістичної теорії електрики. «Електрика» № 4, 1938, с.74-79.
6. М. В. Ломоносов. Вибрані праці з фізики і хімії. М., 1961, с.534.
7. В.М.Дуков. Електрон. Історія відкриття і вивчення властивостей. М., Просвітництво, 1966, с. 11-12.
8. А. Азимов. Коротка історія хімії. М., Мир, 1983. с.66-67.
9. М.Фарадей. Експериментальні дослідження з електрики. Т.1, М., АН СРСР, 1947, с.191.
10. А. И. Герцен. Листи про вивчення природи. Соч. в 9 томах. т.2. М., худож. лит. 1955, с.102.
11. А.М.Ампер. Електродинаміка. М., АН СРСР, 1954, с.229.
12. О.Д.Хвольсон. Курс фізики. т.4., Берлін, Госиздат РРФР, 1923, С.491.
13. М.Фарадей. с.269.
14. Е.Х.Ленц. Вибрані праці. М., АН СРСР., 1950, с.147-157.
|