A história de um paradoxo da engenharia elétrica

Se você compor um circuito elétrico a partir de uma fonte de corrente, um consumidor de energia e os fios que os conectam, feche-o, uma corrente elétrica fluirá ao longo desse circuito. É razoável perguntar: "E em que direção?" O livro sobre os fundamentos teóricos da engenharia elétrica fornece a resposta: “No circuito externo, a corrente flui do sinal de mais da fonte de energia para o sinal de menos e no interior da fonte do sinal de menos para o sinal de mais” (1).

É isso mesmo? Lembre-se de que uma corrente elétrica é o movimento ordenado de partículas eletricamente carregadas. Os condutores de metal são partículas com carga negativa - elétrons. Mas os elétrons no circuito externo se movem exatamente o oposto do menos da fonte para o mais. Isso pode ser provado de maneira muito simples. Basta colocar uma lâmpada eletrônica - um diodo no circuito acima. Se o ânodo da lâmpada estiver carregado positivamente, a corrente no circuito será, se for negativa, não haverá corrente. Lembre-se de que cargas opostas se atraem e cargas iguais se repelem. Portanto, o ânodo positivo atrai elétrons negativos, mas não vice-versa. Concluímos que a direção oposta ao movimento dos elétrons é tomada como a direção da corrente elétrica na ciência da engenharia elétrica. 2)

A escolha da direção oposta à existente não pode ser chamada de outra maneira paradoxal, mas as razões dessa discrepância podem ser explicadas se traçarmos a história do desenvolvimento da engenharia elétrica como ciência.

Entre as muitas teorias, às vezes até anedóticas, tentando explicar os fenômenos elétricos que surgiram no início da ciência da eletricidade, vamos nos debruçar sobre duas principais.

O cientista americano B. Franklin apresentou a chamada teoria unitária da eletricidade, segundo a qual a matéria elétrica é um tipo de líquido sem peso que pode vazar de alguns corpos e se acumular em outros. Segundo Franklin, um fluido elétrico está contido em todos os corpos e só é eletrificado quando há falta ou excesso de fluido elétrico neles. Falta de fluido significa eletrificação negativa; excesso significa positivo. Então o conceito de carga positiva e negativa apareceu. (3) Quando corpos carregados positivamente são conectados a corpos negativos, um fluido (fluido) elétrico passa de um corpo com uma quantidade aumentada de líquido para corpos com uma quantidade reduzida. Como nos vasos comunicantes. Com a mesma hipótese, o conceito de movimento de cargas elétricas - corrente elétrica - entrou na ciência. 4)

A hipótese de Franklin provou ser altamente frutífera e antecipou a teoria eletrônica da condução. No entanto, acabou por estar longe de ser perfeita. O fato é que o cientista francês Dufe descobriu que existem dois tipos de eletricidade que, obedecendo a cada teoria de Franklin, se neutralizavam após o contato. (5) A razão do surgimento de uma nova teoria dualística da eletricidade, apresentada por Simmer com base nos experimentos de Dufe, era simples. Surpreendentemente, ao longo de muitas décadas de experimentos com eletricidade, ninguém percebeu que, ao esfregar corpos eletrificados, não apenas o esfregado, mas também o corpo de fricção, é carregado. Caso contrário, a hipótese de Simmer simplesmente não teria aparecido. Mas o fato de que ela apareceu tem sua própria justiça histórica. (6)

A teoria dualística considerava que, nos corpos de um estado usual, dois tipos de fluido elétrico estão contidos em quantidades DIFERENTES, neutralizando-se. A eletrificação foi explicada pelo fato de que a proporção de eletricidade positiva e negativa nos corpos mudou. Não é muito claro, mas era necessário explicar de alguma forma os fenômenos reais.

Ambas as hipóteses explicaram com sucesso os principais fenômenos eletrostáticos e por muito tempo competiram entre si. A teoria historicamente dualística antecipou a teoria iônica da condutividade de gases e soluções. (7)

A invenção da coluna voltaica em 1799 e a subsequente descoberta do fenômeno da eletrólise permitiram concluir que durante eletrólise de líquidos e soluções duas direções opostas do movimento de cargas são observadas nelas - positivas e negativas. A teoria dualística triunfou, pois durante a decomposição, por exemplo, da água, era possível ver claramente que as bolhas de oxigênio são emitidas no eletrodo positivo e o hidrogênio é liberado no eletrodo negativo. (8) No entanto, nem tudo foi bom aqui. Durante a decomposição da água, a quantidade de gases emitidos não foi a mesma. O hidrogênio tinha o dobro de oxigênio. Isso confuso. Como poderiam as crianças em idade escolar atuais, que sabiam que existem dois átomos de hidrogênio na molécula de água na molécula de água (o famoso ashdvo), mas os químicos ainda não descobriram isso.

Não se pode dizer que essas teorias foram entendidas não apenas pelos estudantes, mas também pelos próprios cientistas. A.I. Democrata Revolucionário Herzen, aliás, um graduado da Faculdade de Física e Matemática da Universidade de Moscou, escreveu que essas hipóteses não ajudam e até “causam danos terríveis aos alunos, dando-lhes palavras em vez de conceitos, matando a pergunta com falsa satisfação. "O que é eletricidade?" - "Líquido sem peso". Não seria melhor se o aluno respondesse: "Eu não sei".? (10) Ainda assim, Herzen estava errado. De fato, na terminologia moderna, a corrente elétrica flui do positivo para o negativo da fonte, e não se move de nenhuma outra maneira, e não estamos nem um pouco chateados com isso.

Centenas de cientistas de diferentes países realizaram milhares de experimentos com um pólo de voltagem, mas apenas vinte anos depois o cientista dinamarquês Oersted descobriu a ação magnética de uma corrente elétrica. Em 1820, sua mensagem foi publicada declarando que um condutor com corrente afeta as leituras de uma agulha magnética. Após inúmeras experiências, ele fornece uma regra pela qual você pode determinar a direção do desvio da agulha magnética da corrente ou corrente da direção da seta magnética. "Usaremos a fórmula: o polo, que vê eletricidade negativa entrando acima de si, desvia para o leste". A regra é tão vaga que uma pessoa moderna e alfabetizada não descobre imediatamente como usá-la, mas e quando os conceitos ainda não foram estabelecidos.

Portanto, Ampere, em seu trabalho apresentado pela Academia de Ciências de Paris, decide primeiro tomar uma das direções das correntes como a principal e, em seguida, estabelece uma regra pela qual se pode determinar o efeito dos ímãs nas correntes. Lemos: “Como eu precisaria falar constantemente sobre duas direções opostas nas quais a eletricidade flui, para evitar repetições desnecessárias, depois das palavras DIREÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA, sempre quis dizer eletricidade positiva”. Assim, a regra de direção geralmente aceita foi introduzida pela primeira vez. atual. De fato, antes da descoberta do elétron havia mais de setenta anos. (11)

Nos séculos 17 e 19 na Europa, a MONEMONICS se espalhou. ou a arte da memorização, isto é, um sistema de várias técnicas que facilitam a memorização através da formação de associações artificiais. Por exemplo, os poemas são conhecidos por lembrar o número de IPs - "Quem está brincando e logo desejará ...", com mais de cem anos de idade. Ou um ditado sobre faisões e caçadores para lembrar o arranjo das cores do espectro solar. Essas são regras mnemônicas.

A mesma regra foi inventada por Ampère para determinar a direção das forças em um condutor com corrente. Foi chamado de "regra do nadador". Nós não damos, porque também não teve sucesso e não se enraizou. Mas a direção da corrente em todas as regras implicava o movimento de partículas carregadas positivamente. (12)

Mais tarde, Maxwell também aderiu a esse cânone, que criou a regra do "saca-rolhas" ou "verruma" para determinar a direção do campo magnético da bobina. É familiar para todo aluno. No entanto, a questão da verdadeira direção da corrente permaneceu em aberto. Aqui está o que Faraday escreveu: “Se eu disser. que a corrente passa de um lugar positivo para um negativo, só está de acordo com o tradicional, embora até certo ponto silencioso acordo entre cientistas e fornecendo-lhes meios claros e definidos constantes para indicar a direção das forças dessa corrente" (13. Itálico nosso. BH)

Após a descoberta da indução eletromagnética por Faraday (induzindo uma corrente em um condutor em um campo magnético variável), tornou-se necessário determinar a direção da corrente induzida. Esta regra foi dada pelo excelente físico russo E.Kh. Lents. (14) Diz: “Se um condutor de metal se aproxima de uma corrente ou de um ímã, então uma corrente galvânica surge nele. A direção dessa corrente é tal que o fio em repouso se move dela, oposto ao movimento real ". (15) Ou seja, a regra se resumia ao tipo de "pedir conselhos e fazer o oposto".

As regras conhecidas pelo atual graduado da escola como a “regra da mão esquerda” e “a regra da mão direita” na forma final foram propostas pelo físico inglês Fleming e servem para SIMPLIFICAR a MEMORAÇÃO do fenômeno físico para físicos, estudantes e crianças em idade escolar, e não para enganá-las.

Essas regras são amplamente inseridas na prática e nos livros didáticos de física e, após a descoberta do elétron, muito teria que ser alterado, e não apenas nos livros didáticos, se a verdadeira direção da corrente fosse indicada. E esta convenção permanece por mais de um século e meio. A princípio, não causou dificuldades, mas com a invenção da lâmpada eletrônica (ironicamente, Fleming inventou o primeiro tubo de rádio) e o amplo uso de semicondutores, começaram a surgir dificuldades. Portanto, físicos e especialistas em eletrônica preferem não falar sobre as direções da corrente elétrica, mas sobre as direções do movimento dos elétrons, ou cargas. Mas a engenharia elétrica ainda opera com definições antigas. Às vezes isso causa confusão. Ajustes poderiam ser feitos, mas isso causaria mais transtornos do que os existentes?