История одного парадокса электротехники

Если составить электрическую цепь из источника тока, потребителя энергии и соединяющих их проводов, замкнуть ее, то по этой цепи потечет электрический ток. Резонно спросить: «А в каком направлении?» Учебник теоретических основ электротехники дает ответ: «Во внешней цепи ток течет от плюса источника энергии к минусу, а во внутри источника от минуса к плюсу» (1).

Так ли это? Вспомним, что электрическим током называется упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Таковыми в металлических проводниках являются отрицательно заряженные частицы – электроны. Но ведь электроны во внешней цепи движутся как раз наоборот от минуса источника к плюсу. Это можно доказать очень просто. Достаточно поставить в вышеуказанную цепь электронную лампу – диод. В случае, если анод лампы будет заряжен положительно, то ток в цепи будет, если же отрицательно, то тока не будет. Напомним, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются. Поэтому положительный анод притягивает отрицательные электроны, но не наоборот. Сделаем вывод, что за направление электрического тока в науке электротехнике принимают направление ПРОТИВОПОЛОЖНОЕ движению электронов. (2)

Выбор направления, противоположный существующему, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники как науки.

Среди множества теорий, иногда даже анекдотичных, пытающихся объяснить электрические явления, появившихся на заре науки об электричестве, остановимся на двух основных.

Американский ученый Б. Франклин выдвинул так называемую унитарную теорию электричества, по которой электрическая материя представляет собой некую невесомую жидкость, которая могла вытекать из одних тел и накапливаться в других. Согласно Франклину, электрическая жидкость содержится во всех телах, а наэлектризованным становится только тогда, когда в них бывает недостаток или избыток электрического флюида. Недостаток флюида означает отрицательную электризацию, избыток – положительную. Так появилось понятие положительного и отрицательного заряда. (3) При соединении положительно заряженных тел с отрицательными электрическая жидкость (флюид) переходит от тела с повышенным количеством жидкости к телам с пониженным количеством. Как в сообщающихся сосудах. С этой же гипотезой в науку вошло понятие движения электрических зарядов – электрического тока. (4)

Гипотеза Франклина оказалась в высшей степени плодотворной и предвосхитила электронную теорию проводимости, Однако она оказалась далеко не безупречной. Дело в том, что французский ученый Дюфе обнаружил, что существует два вида электричества, которые, подчиняясь каждое в отдельности теории Франклина, при соприкосновении нейтрализовывали друг друга. (5). Причиной появления новой дуалистической теории электричества, выдвинутой Симмером на основании опытов Дюфе, была простой. Как это ни поразительно, но на протяжении многих десятилетий экспериментов с электричеством никто не заметил, что при натирании электризуемых тел, заряжается не только натираемое, но и натирающее тело. Иначе гипотеза Симмера просто бы не появилась. Но в том, что она появилась есть своя историческая справедливость. (6)

Дуалистическая теория считала, что в телах обычном состоянии содержатся два рода электрической жидкости в РАЗНЫХ количествах, нейтрализующих друг друга. Электризация объяснялась тем, что соотношение положительных и отрицательных электричеств в телах менялось. Не очень понятно, но надо же было как-то объяснять реально существующие явления.

Обе гипотезы с успехом объясняли основные электростатические явления и долгое время конкурировали друг с другом. Исторически дуалистическая теория предвосхитила ионную теорию проводимости газов и растворов. (7)

Изобретение вольтова столба в 1799 г. и последовавшее за ним открытие явления электролиза позволило сделать выводы о том, что при электролизе жидкостей и растворов в них наблюдается два противоположных направления движения зарядов – положительного и отрицательного. Дуалистическая теория торжествовала, так как при разложении, например, воды наглядно можно было видеть, что на положительном электроде выделяются пузырьки кислорода, а на отрицательном – водорода. (8). Однако и здесь было не все гладко. При разложении воды количество выделяемых газов было неодинаково. Водорода было вдвое больше кислорода. Это ставило в тупик. Как мог бы помочь ученым того времени любой нынешний школьник, знающий, что в молекуле воды на атом кислорода приходится два атома водорода (знаменитое ашдвао) но химики до этого еще не додумались.

Нельзя сказать, что эти теории были понятны не только учащимся, но и самим ученым. Революционный демократ А.И. Герцен, кстати, выпускник физико-математического факультета Московского университета, писал, что эти гипотезы не помогают, а даже «делают страшный вред учащимся, давая им слова вместо понятий, убивая в них вопрос ложным удовлетворением. “Что есть электричество?” – “Hевесомая жидкость”. Не правда ли лучше было бы, если бы ученик отвечал: “Не знаю.”?» (10). Все-таки не прав был Герцен. Ведь в современной терминологии электрический ток ТЕЧЕТ от плюса к минусу источника, а не как-нибудь по другому передвигается и мы нисколько этим не огорчены.

Сотни ученых разных стран проводили тысячи опытов с вольтовым столбом, но только через двадцать лет датским ученым Эрстедом было открыто магнитное действие электрического тока. В 1820 г. было опубликовано его сообщение о том, что проводник с током влияет на показания магнитной стрелки. После многочисленных экспериментов он дает правило, по которому можно определить направление отклонения магнитной стрелки от тока или тока от направления магнитной стрелки. «Мы будем пользоваться формулой: полюс, который видит отрицательное электричество, входящим над собой, отклоняется к востоку». Правило настолько туманное, что современный грамотный человек не сразу и разберется как им воспользоваться, а что же говорить о том времени, когда понятия еще не устоялись.

Поэтому Ампер в труде, представленном Парижской академии наук, сначала решает принять одно из направлений токов за основное, а потом дает правило, по которому можно определить действие магнитов на токи. Читаем: «Так как мне пришлось бы постоянно говорить о двух противоположных направлениях, по которым текут оба электричества, то, во избежание излишних повторений, после слов НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, я буду всякий раз подразумевать ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО электричества» Так впервые было введено ныне общепринятое правило направления тока. Ведь до открытия электрона было более семидесяти лет. (11).

В 17-19 веках в Европе получила широкое распространение МНЕМОНИКА. или искусство запоминания, то есть система различных приемов, облегчающих запоминание путем образования искусственных ассоциаций. Например известны стихи для запоминания числа ПИ – «Кто и шутя и скоро пожелаетъ…», которым более ста лет. Или присказку на счет фазанов и охотников для запоминания порядка расположения цветов солнечного спектра.. Это мнемонические правила.

Такое же правило было придумано Ампером для определения направлений сил на проводник с током. Оно называлось «правилом пловца». Мы его не приводим, потому что оно было тоже неудачным и не привилось. Но направление тока во всех правилах подразумевало движение ПОЛОЖИТЕЛЬНО заряженных частиц. (12)

Этого канона придерживался позже и Максвелл, придумавший правило «пробочника» или «буравчика» для определения направления магнитного поля катушки. Оно знакомо каждому школьнику. Однако вопрос об истинном направлении тока оставался открытым. Вот что писал Фарадей: «Если я говорю. что ток идет от положительного места к отрицательному, то лишь в согласии с традиционным, хотя до некоторой степени молчаливым соглашением, заключенным между учеными и обеспечивающим им постоянное ясное и определенное средство для указания направления сил этого тока». (13. Курсив наш. БХ)

После открытия электромагнитной индукции Фарадеем (наведение тока в проводнике в изменяющемся магнитном поле) возникла необходимость для определения направления индуцированного тока. Это правило дал выдающийся русский физик Э.Х.Ленц. (14). Оно гласит: «Если металлический проводник перемещается вблизи тока или магнита, то в нем возникает гальванический ток. Направление этого тока таково, что покоящийся провод пришел бы от него в движение, противоположное действительному перемещению». (15). То есть правило сводилось к такому типу, как «спроси совет и поступи наоборот».

Правила, известные нынешним выпускника школ, как «правило левой руки» и «правило правой руки» в окончательном виде предложил английский физик Флеминг и служат они для ОБЛЕГЧЕНИЯ ЗАПОМИНАНИЯ физического явления физикам, студентам и школьникам, а не для того, чтобы им морочить головы.

Эти правила широко вошли в практику и учебники физики и после открытия электрона очень многое пришлось бы изменять и не только в учебниках, если указывать истинное направление тока. Так и живет эта условность более полутора столетий. Сначала она не вызывала трудностей, но с изобретением электронной лампы (по иронии судьбы первую радиолампу изобрел Флеминг) и широким применением полупроводников начали возникать трудности. Поэтому физики и специалисты по электронике предпочитают говорить не о направлениях электрического тока, а о направлениях движения электронов, или зарядов. Но электротехника по-прежнему оперирует старыми определениями. Иногда это вызывает путаницу. Можно было бы внести коррективы, но не вызовет ли это больше неудобств, чем существующие?

Литература:

1. Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. М., Высшая школа, 1957, с.8.

2. Н.И.Мансуров, В.С.Попов. Теоретическая электротехника. М., Энергия, 1968, с.46.

3. В.Франклин. Опыты и наблюдения над электричеством. АН СССР, М,. 1956, с.12-13.

4. А.Г.Столетов. Обзор теории электричества. Московские университетские известия. М, 1866, № 1, неоф. отдел. с.26-46..

5. М.И.Радовский. Дюфе – основатель дуалистической теории электричества. «Электричество» № 4, 1938, с.74-79.

6. М.В.Ломоносов. Избранные труды по физике и химии. М., 1961, с.534.

7. В.М.Дуков. Электрон. История открытия и изучения свойств. М., Просвещение, 1966, с. 11-12.

8. А.Азимов. Краткая история химии. М., Мир, 1983. с.66-67.

9. М.Фарадей. Экспериментальные исследования по электричеству. Т.1, М., АН СССР, 1947, с.191.

10. А.И.Герцен. Письма об изучении природы. Соч. в 9 томах. т.2. М., худож. лит. 1955, с.102.

11. А.М.Ампер. Электродинамика. М., АН СССР, 1954, с.229.

12. О.Д.Хвольсон. Курс физики. т.4., Берлин, Госиздат РСФР, 1923, С.491.

13. М.Фарадей. с.269.

14. Э.Х.Ленц. Избранные труды. М., АН СССР., 1950, с.147-157.