فئات: مقالات مميزة » حقائق مثيرة للاهتمام
مرات المشاهدة: 64405
تعليقات على المادة: 4
تاريخ مفارقة الهندسة الكهربائية
إذا قمت بتكوين دارة كهربائية من مصدر تيار ، مستهلك طاقة وأسلاك متصلة بها ، أغلقها ، ثم يتدفق تيار كهربائي على طول هذه الدائرة. من المنطقي أن نسأل: "وفي أي اتجاه؟" يجيب الكتاب المدرسي عن الأسس النظرية للهندسة الكهربائية بالإجابة: "في الدائرة الخارجية ، يتدفق التيار من زائد مصدر الطاقة إلى الطرح ، وفي داخل المصدر من الطرح إلى علامة الجمع" (1).
هل هذا صحيح؟ أذكر أن التيار الكهربائي هو الحركة المطلوبة للجزيئات المشحونة كهربائيًا. تلك الموجودة في الموصلات المعدنية هي جزيئات سالبة الشحنة - الإلكترونات. لكن الإلكترونات الموجودة في الدائرة الخارجية تتحرك عكس ذلك تمامًا من ناقص المصدر إلى علامة الجمع. هذا يمكن أن يثبت ببساطة شديدة. يكفي وضع مصباح إلكتروني - الصمام الثنائي في الدائرة أعلاه. إذا كان أنود المصباح مشحونًا بشكل إيجابي ، فسيكون التيار في الدائرة ، إذا كان سالبًا ، فلن يكون هناك تيار. أذكر أن الرسوم المعاكسه جذب ، ومثل الرسوم صد. لذلك ، يجذب الأنود الموجب الإلكترونات السلبية ، ولكن ليس العكس. نستنتج أن الاتجاه المعاكس لحركة الإلكترونات هو اتجاه التيار الكهربائي في علم الهندسة الكهربائية. (2)
لا يمكن تسمية اختيار الاتجاه المعاكس للاتجاه الحالي بمفارقة ، ولكن يمكن تفسير أسباب هذا التناقض إذا كنا نتتبع تاريخ تطور الهندسة الكهربائية كعلم.
من بين العديد من النظريات ، وأحياناً حتى القصصية ، في محاولة لشرح الظواهر الكهربائية التي ظهرت في فجر علم الكهرباء ، دعونا نتحدث عن نظريتين رئيسيتين.
طرح العالم الأمريكي ب. فرانكلين ما يسمى النظرية الوحدوية للكهرباء ، والتي تنص على أن المادة الكهربائية هي نوع من السائل الخفيف الذي يمكن أن يتسرب من بعض الهيئات ويتراكم في أجسام أخرى. وفقًا لـ Franklin ، يتم احتواء السوائل الكهربائية في جميع الهيئات ، ولا يتم تزويدها بالكهرباء إلا عندما يكون هناك نقص أو زيادة في السوائل الكهربائية فيها. نقص السوائل يعني كهربة سلبية ، فائض يعني إيجابي. لذلك ظهر مفهوم الشحنة الإيجابية والسلبية. (3) عندما تكون الأجسام ذات الشحنة الموجبة متصلة بأجسام سالبة ، ينتقل السائل الكهربائي (السائل) من الجسم بكمية أكبر من السائل إلى الهيئات بكمية منخفضة. كما هو الحال في التواصل السفن. مع نفس الفرضية ، دخل مفهوم حركة الشحنات الكهربائية - التيار الكهربائي - إلى العلم. (4)
أثبتت فرضية فرانكلين أنها مثمرة للغاية وتوقعت نظرية التوصيل الإلكترونية. ومع ذلك ، فقد اتضح أنها بعيدة عن الكمال. والحقيقة هي أن العالم الفرنسي دوف اكتشف أن هناك نوعين من الكهرباء ، يطيع كل منهما الآخر ، طاعة كل نظرية على حدة فرانكلين ، تحييد بعضها البعض عند الاتصال. (5). كان سبب ظهور نظرية ازدواجية جديدة للكهرباء ، طرحه سيمر على أساس تجارب دوف ، بسيطًا. من المثير للدهشة ، على مدار عقود عديدة من التجارب على الكهرباء ، أن أحداً لم يلاحظ أنه عند فرك الأجسام المكهربة ، لا يقتصر الأمر على الفرك فحسب ، بل أيضًا على فرك الجسم. خلاف ذلك ، فإن فرضية Simmer ببساطة لن تظهر. لكن حقيقة أنها ظهرت لديها عدالة تاريخية خاصة بها. (6)
اعتقدت النظرية الثنائية أنه في أجسام الحالة العادية ، يوجد نوعان من السوائل الكهربائية بكميات مختلفة تعمل على تحييد بعضها البعض. وأوضح كهربة حقيقة أن نسبة الكهرباء الإيجابية والسلبية في الهيئات تغيرت. ليس واضحًا تمامًا ، ولكن كان من الضروري شرح ظاهرة الحياة الواقعية بطريقة أو بأخرى.
شرح كل من الفرضيات بنجاح الظواهر الإلكتروستاتيكية الرئيسية وتنافس لفترة طويلة مع بعضها البعض. توقعت النظرية المزدوجة تاريخيا النظرية الأيونية لتوصيل الغازات والحلول. (7)
اختراع العمود الفلطائي في عام 1799 والاكتشاف اللاحق لظاهرة التحليل الكهربائي جعل من الممكن استنتاج أن أثناء التحليل الكهربائي للسوائل والمحاليل لوحظ اتجاهان متعاكسان لحركة التهم - الإيجابية والسلبية. انتصرت النظرية الثنائية ، لأنه خلال تحلل الماء ، على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يرى بوضوح أن فقاعات الأكسجين تنبعث على القطب الموجب ، ويتم إطلاق الهيدروجين على القطب السالب. (8). ومع ذلك ، ليس كل شيء كان سلسا هنا. أثناء تحلل الماء ، لم تكن كمية الغازات المنبعثة هي نفسها. وكان الهيدروجين ضعف كمية الأكسجين. هذا حيرة. كيف يمكن لأي تلميذ حالي أن يعرف أن ذرة الأكسجين الموجودة في جزيء الماء بها ذرتان من الهيدروجين (أشدودو الشهيرة) ، لكن الكيميائيين لم يتوصلوا إلى ذلك بعد.
لا يمكن القول أن هذه النظريات لم تكن مفهومة من قبل الطلاب فقط ، ولكن أيضًا من قِبل العلماء أنفسهم. ديمقراطي ثوري كتب هيرزن ، بالمناسبة ، خريج كلية الفيزياء والرياضيات بجامعة موسكو ، أن هذه الفرضيات لا تساعد ، بل إنها "تلحق أضرارًا فادحة بالطلاب عن طريق إعطائهم كلمات بدلاً من المفاهيم ، مما يؤدي إلى مقتل السؤال برضا زائف. "ما هي الكهرباء؟" - "السائل عديم الوزن". ألن يكون من الأفضل لو أجاب الطالب: "لا أعرف"؟ " (10). ومع ذلك ، كان هيرزن مخطئًا. في الواقع ، في المصطلحات الحديثة ، يتدفق التيار الكهربائي من علامة الجمع إلى ناقص المصدر ، ولا يتحرك بأي طريقة أخرى ، ونحن لسنا مستاء على الإطلاق من هذا.
أجرى مئات العلماء من بلدان مختلفة آلاف التجارب باستخدام قطب فولت ، ولكن بعد عشرين عامًا فقط اكتشف العالم الدنماركي أورستد العمل المغناطيسي لتيار كهربائي. في عام 1820 ، تم نشر رسالته تفيد بأن الموصل ذو التيار يؤثر على قراءات الإبرة المغناطيسية. بعد عدة تجارب ، يعطي قاعدة يمكنك من خلالها تحديد اتجاه انحراف الإبرة المغناطيسية عن التيار أو التيار من اتجاه السهم المغناطيسي. "سنستخدم المعادلة: ينحرف القطب الذي يرى كهرباء سالبة فوق نفسه". القاعدة غامضة لدرجة أن الشخص المتعلم الحديث لا يعرف على الفور كيفية استخدامها ، ولكن ماذا عن الوقت الذي لم يتم فيه وضع المفاهيم بعد.
لذلك ، فإن Ampere ، في عمله الذي قدمته أكاديمية باريس للعلوم ، يقرر أولاً أن يأخذ أحد اتجاهات التيارات باعتبارها الاتجاه الرئيسي ، ثم يعطي قاعدة يمكن من خلالها تحديد تأثير المغناطيس على التيارات. نقرأ: "بما أنني يجب أن أتحدث باستمرار عن اتجاهين متعاكسين يتدفق فيهما كل من التيار الكهربائي ، إذن ، لتجنب التكرار غير الضروري ، بعد عبارة اتجاه التيار الكهربائي ، أعني دائمًا الكهرباء الإيجابية" وهكذا ، تم تقديم قاعدة الاتجاه المقبولة عمومًا لأول مرة التيار. في الواقع ، قبل اكتشاف الإلكترون كان أكثر من سبعين سنة. (11).
في القرنين السابع عشر والثامن عشر في أوروبا ، أصبحت MONEMONICS واسعة الانتشار. أو فن التحفيظ ، أي نظام من الأساليب المختلفة التي تسهل الحفظ من خلال تشكيل الجمعيات الاصطناعية. على سبيل المثال ، تُعرف القصائد بتذكر عدد الشخصيات الرئيسية - "من يمزح وسيتمنى قريبًا ..." ، التي عمرها أكثر من مائة عام. أو قول عن الدراجين والصيادين أن يتذكروا ترتيب ألوان الطيف الشمسي .. هذه قواعد تذكر.
اخترع Ampère نفس القاعدة لتحديد اتجاه القوات على موصل مع التيار. كان يطلق عليه "قاعدة السباح". نحن لا نعطيه ، لأنه لم ينجح أيضًا ولم يتجذر. لكن اتجاه التيار في جميع القواعد ينطوي على حركة جزيئات موجبة الشحنة. (12)
في وقت لاحق ، تمسك ماكسويل أيضًا بهذا الكنسي ، الذي توصل إلى قاعدة "المفتاح" أو "المينا" لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي للملف. إنه مألوف لكل طالب. ومع ذلك ، ظلت مسألة الاتجاه الحقيقي للتيار مفتوحة. إليكم ما كتبه فاراداي: "إذا قلت. أن التيار ينتقل من مكان إيجابي إلى مكان سلبي هو فقط في اتفاق مع التقليدي ، على الرغم من ذلك إلى حد ما صامت اتفاق بين العلماء وتزويدهم وسائل واضحة ومحددة ثابتة للإشارة إلى اتجاه قوى هذا التيار". (13. مائل لنا. BH)
بعد اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي بواسطة فاراداي (حمل تيار في موصل في مجال مغناطيسي متغير) ، أصبح من الضروري تحديد اتجاه التيار المستحث. أعطى هذه القاعدة عالم الفيزياء الروسي البارز إ. (14). تقول: "إذا كان الموصل المعدني يتحرك بالقرب من التيار أو المغناطيس ، فإن التيار الكلفاني ينشأ فيه. اتجاه هذا التيار هو أن السلك الباقي سينتقل منه ، مقابل الحركة الفعلية ". (15). وهذا يعني أن القاعدة جاءت إلى نوع "طلب المشورة والقيام بالعكس".
اقترح الفيزيائي الإنجليزي فليمنغ القواعد المعروفة لخريج المدرسة الحالية باسم "قاعدة اليد اليسرى" و "قاعدة اليد اليمنى" في الشكل النهائي ، وهي تعمل على تبسيط ذاكرة الظاهرة الفيزيائية للفيزيائيين والطلاب وأطفال المدارس ، وليس لخداعهم.
يتم إدخال هذه القواعد على نطاق واسع في الممارسة والكتب المدرسية للفيزياء ، وبعد اكتشاف الإلكترون ، يجب تغيير الكثير ، وليس فقط في الكتب المدرسية ، إذا تمت الإشارة إلى الاتجاه الحقيقي للتيار. وتستمر هذه الاتفاقية لأكثر من قرن ونصف. في البداية ، لم يسبب ذلك صعوبات ، ولكن مع اختراع المصباح الإلكتروني (ومن المفارقات ، اخترع فليمنج أول أنبوب راديو) والاستخدام الواسع النطاق لأشباه الموصلات ، بدأت الصعوبات في الظهور. لذلك ، يفضل علماء الفيزياء وخبراء الإلكترونيات عدم الحديث عن اتجاهات التيار الكهربائي ، ولكن عن اتجاهات حركة الإلكترونات ، أو الشحنات. لكن الهندسة الكهربائية لا تزال تعمل على التعاريف القديمة. في بعض الأحيان هذا يسبب الارتباك. يمكن إجراء التعديلات ، لكن هل يمكن أن تسبب إزعاجًا أكثر من التعديلات الموجودة؟
انظر أيضا في electro-ar.tomathouse.com
: