В каком направлении течет ток – от плюса к минусу или наоборот? И может ли электричество течь в двух направлениях одновременно? Давайте разберемся в этом запутанном вопросе.
В старых книгах про основы электроники любили сравнивать электрический ток с проточной водой. Именно там многие прочитали, что ток течет от плюса к минусу. Позже оказалось, что ток на самом деле течет наоборот, и вообще плюс-минус – это всё условно.
Создателем всей этой неразберихи был американец Бен Франклин – человек, который использовал воздушный змей, чтобы подвести электричество к земле. Он утверждал, что молнии не были признаком гнева богов, а лишь немного более крупными и опасными электрическими искрами. В подтверждение своих слов он решил запустить во время шторма воздушного змея и с его помощью поймать несколько огромных «искр» в банку. В конце концов, всё это дело привело к изобретению громоотвода.
Вскоре после этого Франклин предположил, что электричество имеет две природы, которые они назвали положительной (+) и отрицательной (-). Важно отметить что в то время (около 1750 г.) элементарные частицы еще не были известны, поэтому электричество сравнивали с водой. Итак, если бы у данного объекта было много электричества, он стал бы положительно заряженным. В свою очередь, дефицит был отрицательным. Согласно Франклину, при объединении двух противоположно заряженных объектов "электрическая жидкость" естественным образом перетекает от положительного заряда к отрицательному, как водопад текущий сверху вниз. Эта теория имела смысл и была подтверждена многочисленными экспериментами независимых ученых.
В последующие годы исследования в области электричества получили ускорение. Были открыты способы передачи электричества по проводам, описан феномен электромагнетизма и созданы новые электрические устройства, такие как батарея и лампочка. Учёные понимали электричество все лучше и лучше, и теория электрической жидкости перестала соответствовать этому пониманию. Но последний удар был нанесен примерно через 150 лет, когда был открыт электрон – мельчайшая заряженная частица. Это достижение стало прямым доказательством того, что:
- Электричество – это не жидкость, а физические частицы, которые несут с собой заряд,
- Отрицательный заряд – это не «недостаток электрической жидкости», а избыток электронов.
- Положительный заряд – это не «избыток электрической жидкости», а недостаток электронов.
Соединяя два противоположно заряженных объекта вместе, электроны перескакивают с отрицательно заряженного объекта на положительно заряженный. Электричество течет вопреки предположениям Франклина в другом направлении.
Представьте себе раздражение физиков того времени, когда они обнаружили что тысячи книг и публикаций, написанных за более чем 100 лет, были основаны на неправильном предположении. С одной стороны, все переписать уже невозможно, но после открытия электрона всё-таки не получится делать вид, что направление «от плюса к минусу» было правильным.
Да, возможно электроны перетекают с отрицательного на положительный, но мы все еще не можем видеть эти отдельные частицы. Горит же и обычная лампочка, как бы ее не подключали к батарее. Так есть ли смысл переворачивать мир науки с ног на голову? Может просто согласиться с тем, что электричество течет так, как сейчас? Вроде никто не заметит разницы.
Когда рассказывалась история Франклина, ни разу не использовался термин «электрический ток». Это потому, что в те времена такой концепции просто не существовало, и потребовалось еще 50 лет упорной работы блестящих умов, чтобы открыть «мобильность заряда». Прорыв произошел только в начале 19 века, благодаря новой области науки под названием электрохимия. Это не только позволило создать непрерывный поток электрического заряда, но и посеяло первое зерно сомнения среди поклонников теории перетекания электричества от плюса к минусу.
Погружение двух разных металлических пластин в раствор кислоты заставляло электричество течь между ними. Но природа этого явления была неизвестна, пока Фарадей не решил изучить его поближе. В ходе эксперимента он заметил, что одна из пластин буквально растворяется у него на глазах, а на другой появляется металлический налет. Текущий заряд вызвал поток вещества, и Фарадей правильно сделал вывод, что поскольку пластины были сделаны из двух разных металлов, в растворе должен был быть поток двух разных зарядов одновременно – отрицательного и положительного, которые он назвал ионами.
Сначала считалось, что «движущееся электричество» полностью отличается от «статического электричества», и эти две области рассматривались отдельно. Но это было только начало проблемы. Следующие годы принесли еще больше интригующих открытий. Изучая поток заряда в проводах, начали замечать взаимосвязь между генерируемым напряжением, размерами проводника и температурой, до которой он нагревается. Возникла идея сопротивления, благодаря которому можно было определить количество протекающего электричества. В свою очередь, физик Эрстед заметил что электричество, протекающее по проводу, мешает работе компаса – так родилась другая, совершенно новая отрасль электротехники – электромагнетизм.
Каждое последующее открытие требовало создания новых математических уравнений и формул. Постепенно стали замечаться взаимосвязи между различными электрическими величинами. Были созданы законы Джоуля, Ома, Кирхгофа и электромагнитной индукции. Поток электричества мог вызвать явления, о которых Франклин даже не предполагал. Исследования становились все более точными, и все открытия приходилось как-то выражать, измерять и сравнивать. В какой-то момент в мире было 4 полностью отдельных системы электрических потоков. Чтобы во всем этом не запутаться, нужно было как-то все это стандартизировать.
Официальное электричество
Между 1881 и 1904 годами было проведено несколько собраний Международного электрического конгресса (МЭК), на котором был установлен ряд общих электромагнитных единиц, таких как ом, вольт, фарад и кулон. Именно в этот период было создано официальное определение электрического тока.
С открытием электрона и ионов все стало ясно, и теория электрической жидкости Франклина была похоронена. Доказано, что электричество состоит из небольших одиночных зарядов, которые могут перемещаться под действием напряжения. И хотя электроны в проводах перетекали с отрицательного на положительный, а ионы в растворах текли в обоих направлениях, все эти частицы имеют одну общую черту – они заряжены одинаковым значением. Благодаря этому не было необходимости создавать несколько разных определений, и все эти явления были связаны одним общим термином: упорядоченный поток электрического заряда или электрический ток.
Единицей измерения электрического тока является ампер, а устройства для измерения тока называются амперметрами. Первый амперметр был в виде серебряной пластинки, которую погружали в раствор нитрата серебра. Под действием протекающего тока серебро выпало из раствора и оседало на пластине. Взвесив пластину до и после ученые определили, что один ампер тока соответствует осаждению 0,001118 грамма серебра в секунду. Это определение изменилось с годами, и сегодня один ампер – это поток заряда и значение одного кулона за одну секунду.
Условное направление тока
Хотя физики много знали о токе и могли его измерить, они все же не могли наблюдать отдельные заряды или точную траекторию их движения. Все что они видели, – это последствия протекающего тока, такие как повышение температуры проводника, падение напряжения на резисторе, изменение магнитного поля или осаждение серебра на пластине. В этом контексте тип тока и его направление не имели значения. Два кулона в секунду в форме электронов, текущих от отрицательного к положительному, имеют тот же эффект что и один кулон положительных ионов и один кулон отрицательных ионов, текущие в противоположных направлениях. Так зачем это каждый раз различать? Разве не проще выбрать один знак и одно условное направление?
Если предположим что задача электрического тока – переносить энергию (например через лампочку), то каждый из трех случаев, показанных на рисунке, будет иметь точно такой же эффект.
Общий ток для всех
Развитие технологий и производства означало, что электричество постепенно покинуло лаборатории и начало проникать в дома. Коммерциализация электроэнергии потребовала унификации правил и положений и упрощения предположений. Появились электростанции, электросети и электроника. Созданы профессии электрика и электронщика. Благодаря созданию условного направления тока они могли использовать несколько простых и универсальных формул в своей повседневной работе, а более сложные вопросы, связанные с теорией электричества, оставить физикам и ученым.
В общем, что касается тока, учёные до конца не понимают это и сейчас. Но благодаря тому что выбрали условное направление от плюса к минусу, ток всегда будет течь в одном и том же направлении даже если произойдут новые открытия – стандартизация в этом вопросе лучшее решение.
