Куди тече електричний струм?
Сучасна людина добре знайома з результатом роботи струму у різних електроприладах, й рідко замислюється про те, як, звідки та куди він тече. Для тих, хто зовсім трохи знайомий з електрикою та електронікою відповідь буде проста й очевидна: від позитивного полюса до негативного. Проте, люди, які знайомі з питанням глибше, знають, що даний опис є коректним не для усіх ситуацій, що загальноприйняте розуміння механізму дещо спрощено та насправді правильно відповісти на таке запитання можна, лише уточнивши його. Сьогодні ми спробуємо розповісти читачам, як та чому виникла така плутанина.
Для початку слід згадати, що таке електрострум. Довідники характеризують його як спрямований рух заряджених частинок. Сьогодні прийнято вважати, що у межах ланцюга струм спрямований від плюсового полюса джерела живлення до мінусового. Так працює будь-яка техніка на постійному струмі: радіоприймачі, ліхтарики, дитячі іграшки, пульти та навіть ті самі світлодіодні світильники, які через драйвер або трансформатор підключені до змінної мережі. Разом з тим, передбачається, що всередині самого джерела живлення – наприклад, батарейки або акумулятора – струм усе ж йде від мінуса до плюса. Чому так? Давайте розбиратися.
Як люди заплуталися у двох соснах?
Сьогодні науці точно відомо, що напрямок руху електронів багато у чому зумовлений матеріалом елементів ланцюга. Погодьтеся, це звучить трохи несподівано, проте про усе це нам розповідали у школі, просто іншими словами. Так, якщо провідник виготовлений з металу, частками, які переносять заряд, будуть виступати електрони, що несуть енергію від свого, негативного полюса до іншого, позитивного. Й виходячи з цього виявляється, що, всупереч сказаному раніше, електрони у зовнішньому ланцюзі рухаються від мінуса до плюса. Довести це досить просто. Якщо взяти будь-який діод, який за своєю суттю допускає проходження струму тільки у одному напрямку, та підключити так, як сьогодні прийнято описувати напрямок течії електронів, він працювати на буде. Напівпровідники виконують свою функцію лише тоді, коли підключаються анодом до плюсової клеми джерела. Вже на підставі одного цього можна зрозуміти, що у якості напрямку електроструму у ланцюзі зазвичай приймають протилежний реальному руху електронів.
Плутанина у поняттях склалася лише тому, що при відкритті багатьох електричних явищ саме невірний опис здавався дослідникам логічним. Задовго до винаходу лампочок вчені намагалися працювати з феноменом електрики. Широко відомий американський громадський та науковий діяч Бенджамін Франклін став родоначальником так званої унітарної теорії електрики. Згідно з його припущеннями, електрика є матерією, а саме, рідиною, позбавленою ваги, яка здатна випливати з однієї точки та перетікати у іншу, з часом накопичуючись у ній. Швидше за усе, саме звідси у багатьох мовах світу й взялося слово «струм», пов'язане зі словом, яке означає «текти» – адже течуть зазвичай саме рідини.
Франклін твердив, що невагома електрорідина присутня в усіх тілах, але вираженого заряду не має, а тому наелектризуватися що-небудь може тільки у тому випадку, коли спостерігається її нестача або надлишок. Логічно, що нестачу вчений позначив знаком мінус, а надлишок – знаком плюс. Сам того не розуміючи, він заклав цією тезою основу понять позитивного та негативного зарядів. Для Франкліна усе було просто та схоже на систему сполучених посудин: коли у ній починає спостерігатися дисбаланс, електрична рідина у потрібній кількості перетікає від тіла до тіла, у обох напрямках. У цілому, добре зрозумілу гіпотезу про рух заряду спростувати було складно, тому на багато років уявлення залишилося саме таким.
Приблизно у той самий час французький дослідник та відомий фізик свого часу Шарль Дюфе дійшов до висновку, що у дійсності існує цілих два різновиди електрики, кожна з яких сама по собі вписується у пояснення Франкліна, але при контакті їхні ефект нейтралізується. У доопрацьованому вигляді цю теорію представив шотландський фізик Роберт Сіммер, який узяв за основу досліди попередника та доповнив їх власними поясненнями. Назва теорії повністю відповідала сутності – її нарекли дуалістичною.
Для багатьох ім'я Сіммера абсолютно незнайоме, однак його можна вважати «автором» найбільш знаменитого шкільного експерименту з ебонітовою паличкою. Хоча подібними іграми бавилися ще древні греки, пояснення явищу зміг дати тільки він. Відомо, що сам по собі вчений був схильний до переохолодження та носив відразу дві пари панчіх: ближче до шкіри – теплі, з вовни, а поверх них, напоказ – шовкові. І ось одного разу він зацікавився тим, чому вони дивно поводяться після зняття. Коли Сіммер знімав їх разом, а потім витягав один з іншого, то бачив, що й шовк, й шерсть трохи роздуваються, а потім злипаються один з одним. При цьому якщо узяти пару панчіх з одного матеріалу, вони будуть відштовхуватися. Його перші експерименти були максимально простими: у одній руці перебували вовняні панчохи, а у іншій – шовкові. При зближенні рук однакові відштовхувалися, а різнорідні моментально злипалися. Сьогодні ми знаємо, що те ж саме можна було б сказати про полюси магнітів, але тоді до ідеї про зв'язок електрики та магнетизму ще ніхто не підозрював.
Зате завдяки роботі Сіммера стало зрозуміло, що при натиранні об'єкту з метою електризації зарядженим стає не тільки це тіло, але й те, що його натирає. Дуалістична теорія пояснювала, що у стані спокою у кожному тілі у певній кількості знаходяться відразу дві невагомі електричні рідини, протилежні за своїм зарядом. При цьому у цілому вони нейтралізують один одного, але при зміні взаємних пропорцій виникає електризація. Хоча гіпотези Франкліна та Сіммера не приводили вчений світ до єдиної думки, обидві вони з необхідною для того часу достовірністю описували видиме положення речей, а тому зберігалися паралельно.
Наступний великий етап у процесі з'ясування правди настав у 1799-тому році. Задовго до появи на вулицях електричних ліхтарних стовпів, слово «стовп» стало синонімом чогось зарядженого. Уся справа у тому, що відкриття явища електролізу з використанням вольтова стовпа більш наочно показало вченим, що заряди можуть одночасно рухатися взаємно протилежно. Формально це було моментом торжества теорії Сіммера, але через брак інформації про улаштування світу багато вчених не готові були прийняти усе на віру. Багатьох бентежило те, що при проведенні експерименту з електролізом на негативному електроді збиралося у два рази більше бульбашок водню, ніж на позитивному – кисню. З огляду на те, що формула Н2О ще відкрита не була, уявлень про будову молекули води ніхто не мав, і це частково вносило тріщину у дуалістичну теорію.
Через 21 рік знайшовся учений, який був набагато рішучішим за попередників. Його звали Андре-Марі Ампер, і він запропонував Паризькій академії наук усунути неоднозначність, прийнявши один з напрямків у якості основного. На початку його роботи над даним питанням зробити вибір передбачалося просто на підставі зручності, проте вже після декількьох поставлених дослідів Ампер зумів сформулювати єдине правило, за яким можна було однозначно судити про спрямованість впливу магнітів на електрострум. Щоб позбутися від опису двох взаємно протилежних струмів та уникнути повторення, вчений вирішив однозначно, раз і назавжди, прийняти за основу напрямок руху позитивної електрики. Саме цей момент вважається формальною точкою відліку щодо спрямованості електроструму.
На підставі тих самих досліджень британський фізик Джеймс Клерк Максвелл сформулював добре знайоме нам зі шкільної лави правило гвинта. Воно визначало напрямок магнітного поля котушки та цілком влаштовувало вчених, оскільки вважалося таким, що адекватно описує реальність у тих координатах, які раніше заклав Ампер. Разом з тим, серед дослідників було чимало й тих, хто навіть за шанобливого ставлення до попередників продовжував критично дивитися на ситуацію. Англієць Майкл Фарадей визнавав, що користуватися описаними правилами зручно, проте це не означає, що у природі усе так і є. Уже після того, як він відкрив явище електромагнітної індукції, виникла необхідність визначити напрямок індукованого струму, й на цьому етапі суто теоретичні та умовні правила інших дослідників не справлялися. Російський фізик німецького походження Емілій Ленц зумів дати необхідне формулювання: якщо провідник з металу рухається поблизу магніту або струму, всередині нього виникає гальванічний струм, напрямок якого такий, що, будь дріт нерухомим, він би прийшов у рух у бік, що є протилежним початковому переміщенню. Незважаючи на довжину роз'яснення правила та його складність для розуміння при першому прочитанні, саме воно утвердилося у якості домінуючого.
І навіть після відкриття у 1897-тому році англійським фізиком Джозефом Джоном Томсоном електрона, зазначена умовність опису напрямку його руху збереглася. Нехай природа задумала, що у провіднику або у вакуумі повинні переміщатися лише електрони, людство як і раніше у якості базового приймає протилежний напрямок – від плюса до мінуса. Коли на початку ХХ-го століття були винайдені електронні лампи, відразу ж з обладнанням стали виникати певні труднощі. Проте, навіть це не змусило головні світові уми переглянути підхід. Ще пізніше, з винаходом транзисторів плутанина посилилася, але на перше місце продовжувала виноситися умовна зручність. Зараз люди вже звикли вважати, що там, де «плюс» енергії більше, ніж там, де «мінус», а тому вона може переходити тільки у одному напрямку,
І хоча сьогодні ми вже обізнані про те, що дана умовність не відповідає фактичному стану речей, людство встигло виготовити таку кількість електротехнічної продукції, що внесення коректив до усталених принципів внесе ще більше сум'яття. Не постраждають хіба що тільки ті вироби, для яких полярність не має значення – це різні клемники та наконечники, оснащення для змінного струму, а також різні дроти та кабелі. Усе інше, у тому числі, й побутова техніка, у якій багато вузлів перетворює енергію до 12 В або 5 В постійного струму, може виявитися непрацездатною.
Наостанок хочеться сказати про те, чому не приділено уваги вище: як же простій людині зрозуміти, розібратися та запам'ятати, що та де знаходиться, який заряд куди тече. Так, загальноприйнятий напрямок руху електроструму – це лише якась умовність, виправдана історією розвитку електротехніки, і вона є протилежною реальному напрямку переміщення електронів у металі, але у дійсності усе це абсолютно не принципово. Насправді, щоб не уславитися неуком слід керуватися найпростішими принципами. Повернемося до того, що таке струм за визначенням – це спрямований рух заряджених частинок. І ось тут саме головне: не питайте себе, яких саме! Тому що правильна відповідь – будь-яких. Ними можуть виявитися й негативно заряджені електрони, й позитивні молекули з атомами, й іони речовини у розчині, й вільні електрони у напівпровідниках, і навіть так звані «дірки». І усе це правильно, технічно коректно. А тому висновок напрошується досить простий – струм тече туди, де його «не вистачає», тобто висловлений раніше принцип «від більшого до меншого» у дійсності є справедливим, безвідносно полярності переміщуваного по провіднику заряду. Решта нюансів просто виявляються не важливими.
