Почему соглашение об именовании зарядов неверно?

Это не ошибка, и обычный ток не является неправильным или обратным.

Электрический ток часто считают потоком электронов, но это неверно. Электрический ток представляет собой поток электрического заряда . Заряд может быть положительным (протоны) или отрицательным (электроны), и оба типа заряженных частиц могут течь и текут в электрических цепях:

• В металлических проводах, угольных резисторах и электронных лампах электрический ток состоит из потока электронов.
• В батареях , электролитических конденсаторах и неоновых лампах ток состоит из потока ионов, либо положительных, либо отрицательных, либо и тех и других (текущих в противоположных направлениях).
• В водородных топливных элементах и ​​водяном льду ток состоит из потока протонов .
• В полупроводниках ток может состоять из дырок , что не совсем то же самое, что отсутствие электронов .

(Эффект Холла можно использовать, чтобы показать, является ли носитель заряда положительно заряженным и течет в одном направлении или отрицательно заряженным и течет в другом.)

Когда литий-ионный аккумулятор разряжается, например, в нагрузку, в аккумуляторе нет потока электронов, но все еще есть ток:

(Источник: Центр устойчивых нанотехнологий )

Если бы вы учитывали только поток электронов, ваши расчеты были бы неправильными. Вам нужно учитывать чистый поток заряда, независимо от того, какие носители заряда. Обычный ток абстрагируется от различных носителей заряда и представляет все эти различные потоки как суммарный поток (положительного) заряда, что упрощает анализ схемы.

Обычный ток не противоположен электронному току , поэтому, если бы они были определены как протекающие в одном направлении, было бы еще проще их спутать и прожить жизнь, не понимая, что такое ток. Электронный ток является подмножеством обычного тока. Обычный ток объединяет эффекты потоков электронов, ионов, протонов и дырок в одном числе.

Википедия соглашается :

В других средах любой поток заряженных объектов может представлять собой электрический ток. Чтобы обеспечить определение тока, которое не зависит от типа протекающих носителей заряда, обычный ток определяется как протекающий в том же направлении, что и положительные заряды.

Обозначение одной полярности заряда как «положительной», а другой как «отрицательной» совершенно произвольно. Это можно было бы сделать и так и так, и все бы по-прежнему работало так же. Франклин не ошибся; он просто выбрал. Обозначение протонов как отрицательных, а электронов как положительных ничего не изменит. Это может на самом деле сделать вещи более запутанными, как описано в Бен Франклин должен был сказать, что электроны положительны? Неправильный.

Если бы вместо этого Франклин выбрал положительные электроны, то мы могли бы никогда не столкнуться с реальной проблемой. Если бы электроны не были отрицательными, мы бы легко проигнорировали наши неправильные представления, и в итоге у нас осталась бы только иллюзия понимания. Тем не менее, у нас все еще были бы всевозможные мелочные вопросы без ответов, вызванные неправильными представлениями. К счастью, отрицательные электроны тычутся нам носом в проблему, заставляя наши вопросы перерастать в нечто гораздо большее, чем просто «придираться!»

(Кто-то воскресил этого старичка в очереди, так что просто голос против...)

Бен Франклин ошибся . Он только что разработал замечательную новую теорию электричества, в которой положительное (+) и отрицательное (-) имели конкретное и точное значение, и он не мог применить эти два ярлыка так, как намеревался.

Во времена Франклина считалось, что электричество состоит из двух жидкостей, «стекловидной» и «смолянистой» , которые уничтожают друг друга при соприкосновении. Умная идея Франклина заключалась в том, чтобы понять, что теория двух жидкостей избыточна и что одной жидкости, протекающей через металлы, будет достаточно. Это привело его непосредственно к аналогии с давлением воды или давлением воздуха, при котором единственная жидкость течет от конца трубы, имеющей положительное (+) давление, и к концу с отрицательным (-) или вакуумоподобным давлением.

Проблема заключалась в том, что у Франклина не было возможности отделить жидкость от металла, чтобы определить, в каком направлении она движется. Конечно, он мог высекать искры, но жидкость (электричество) двигалась так невероятно быстро, что ничего нельзя было различить, наблюдая за ними.

Только с изобретением трубки Крукса несколько десятилетий спустя стало возможным определять направление потока этой таинственной электрической жидкости, в частности, наблюдая за тенями, которые она отбрасывает внутри пустой трубки. Только тогда стало понятно, что жидкость, которую постулировал Франклин, движется со стороны «отрицательного» давления (-) на сторону «положительного» давления (+). Но было уже слишком поздно. Уже были написаны десятки статей и учебников, использующих теорию и условности Франклина, и было бы кошмаром пытаться перевернуть условность в тот момент.

Теперь мы называем эти частицы электрической жидкости «электронами», и они действительно ведут себя очень похоже на самую быструю и подвижную жидкость, какую только можно вообразить. Для наиболее распространенного способа транспортировки этой жидкости через металлы отрицательная клемма батареи создает положительное давление (или напряжение), чтобы вытолкнуть жидкость наружу, а положительная клемма создает отрицательное давление для вытягивания. электроны обратно.

(Это сходство также объясняет, почему использование аналогий с давлением воды для объяснения напряжения и электрического потока может быть гораздо более информативным, чем можно было бы ожидать. Оба действительно являются примерами жидкостей под давлением, даже если терминология отличается, а аналогия неполна из-за электроны способны делать то, чего не могут материальные жидкости.)

Итак, итог: Франклин явно назвал бы свой выбор ошибкой, если бы у него был доступ к более качественным данным, поэтому я думаю, что мы тоже можем.

Центральное место в этом обсуждении занимает обычное и широко распространенное заблуждение: ошибочное представление о том, что электрический ток — это поток электронов, а потоки положительного заряда невозможны.

Нет и нет.

Только в металлах электрический ток представляет собой поток электронов. Протоны могут течь, как и ионы обеих полярностей. Тип носителя заряда зависит от типа проводника: металлы, электролиты, ионизированные газы. Таким образом, Франклин, возможно, был «задним числом» в отношении того, как металлы проводят поток заряда. Но он не ошибся в отношении протонных проводников и ФЭУ, используемых в твердоэлектролитных топливных элементах. Франклин также ошибался в отношении аккумуляторной кислоты и неоновых вывесок, в которых движущиеся заряды имеют противоположную полярность и текут в противоположных направлениях. С точки зрения Франклина, электролиты содержат два (или более) типа «электрической жидкости», а не только один.

На самом деле, когда вы получаете удар током от высоковольтного источника питания, электроны не проходят через ваше тело. Напряжение, воздействующее на вашу плоть, создает поток ионов, обычно встречающихся в ваших тканях: положительные ионы натрия и калия и отрицательные хлориды, каждая полярность ионов течет в противоположных направлениях. Как же тогда описать ампер, которым тебя бьет током?! Легкий. Просто используйте обычный ток. Вот для чего это нужно. (Подсказка: амперметры измеряют обычный ток. Они не сообщают о процентах положительных и отрицательных значений, дрейфующих в противоположном направлении внутри цепи.)

Удивительно, как много авторов верят в дискредитированную Франклином теорию электричества с одной жидкостью или в то, что электрические токи каким-то образом «состоят из электронов».

Примеры проводников:

Металлы - да, электроны

Полупроводники - электроны в двух энергетических зонах (нижняя полоса - вакансии или «дырки»).

Плазма - электроны, положительные ионы, отрицательные ионы (если водородная плазма, то H+ голые протоны являются частью тока.)

Дистиллированная вода - протоны (ионы H+) и ионы OH-, электронов нет

Аккумуляторная кислота - протоны (ионы H+) и ионы SO4-, без электронов

Океаны - ионы Na+, ионы Cl-, немного H+ и OH-, электронов нет

Человеческая плоть - ионы Na+, ионы K+, ионы Cl-, много смешанных ионов, электронов нет

Подозреваю, что в сложившейся ситуации отчасти виноваты военные учебные пособия времен Второй мировой войны. Для обучения техников их авторы сосредоточились на металлических проводах и электронных лампах и основывали свои концепции на чрезмерно упрощенной (неправильной) идее о том, что «электричество равно электронам» и что все положительные заряды на самом деле просто случай отсутствия электронов.

Это общий вопрос, и ответ на него связан с тем, что электрический ток определяется просто как поток электрического заряда . Таким образом, это абстрактный ток, поскольку электрический заряд является свойством , а не сущностью . Электрический заряд должен быть чем-то «перенесен».

Направление потока положительного заряда принимается за направление электрического тока. Таким образом, поток отрицательного заряда способствует возникновению электрического тока в противоположном направлении.

Электронный ток есть поток электронов, а так как электроны обладают свойством отрицательного электрического заряда, то электронный ток обязательно есть поток заряда, т. е. электрический ток (в направлении, противоположном электрическому току).

Но часто бывает так, что электрический ток возникает из-за потока других заряженных объектов, помимо электронов. Например, в электролите батареи или в плазме поток заряженных ионов способствует возникновению электрического тока.

Условные обозначения не являются «неправильными», но они могут вводить в заблуждение.

Например, мы могли бы переопределить работу, совершаемую в гравитационном поле, так, чтобы выход из земного притяжения потребовал отрицательной работы. Это столь же верное соглашение , но мы связываем позитивную работу с усилием, поэтому изменение этого соглашения на противоположное помешает нашей физической интуиции без видимой пользы.

Бывают ли случаи, когда интуиция может подвести? Конечно; в орбитальной механике отрицательная работа может заставить вас двигаться быстрее . Но это не означает, что мы должны изменить условность только потому, что некоторые люди ошибочно полагают, что « позитивная работа заставляет вас работать быстрее ».

Для изменения степени окисления существующее соглашение о знаках заряда является «неправильным» в том смысле, что оно вводит в заблуждение. Когда атом получает электроны, говорят, что он «восстановлен», потому что его степень окисления понизилась .

Это вводящая в заблуждение терминология, основанная на вводящем в заблуждение соглашении. По общему признанию, терминология не вводит в заблуждение для «редукции», связанной с потерей протона , но для большинства атомных взаимодействий она работает против физической интуиции. Например, ионы обычно увеличивают эффективный радиус при уменьшении .

Студенты находят это настолько неинтуитивным, что пытаются запомнить его с помощью дурацких мнемонических приемов , таких как «НЕФТЯНАЯ БУРОВАЯ» («окисление — это потеря, уменьшение — это приобретение»).

То же самое и с током: «CCD» — это мнемоника для « катодного тока уходит », хотя большую часть времени носители заряда, ответственные за ток, физически не отходят от катода.

Тем не менее, тем же самым студентам не нужна мнемоника, чтобы запомнить знак для работы, совершаемой против поля тяготения Земли, или для работы, совершаемой над зарядами того же знака.

Вы когда-нибудь играли в головоломку «Скользящие 15» ? Есть пятнадцать скользящих частей, пронумерованных от 1 до 15, расположенных в сетке 4x4. В нем есть одна «дырка», где нет кусочка. Вы можете переместить любую фигуру рядом с отверстием в это место.

.

Когда вы играете в игру, что движется: пронумерованные части или отверстие ?

Технически говоря, вы перемещаете пронумерованные части. Это электроны, физические объекты, которые перемещаются. Вы даже можете заставить их двигаться по полному пути (замкнутая цепь).

Но если вы играли в эту игру достаточное количество времени, вы быстро понимаете, насколько важна дырка для стратегии игры. Опытный игрок может перемещать лунку куда угодно, и лунка может перемещаться даже по замкнутому кругу. Дырка представляет собой отсутствие электронов и может двигаться так же, как и сами электроны. В теории полупроводников мы даже официально называем их «дырками» и относимся к ним как к частицам, хотя они таковыми не являются.

Как бы вы ни считали, есть что-то движущееся. В электричестве мы называем это «зарядом». Бен Франклин назвал это «электрическим огнем» (см. ниже).

Обратите внимание, что какой бы ход вы ни делали, всегда есть 15 пронумерованных фигур и 1 отверстие. Мы говорим, что это закон сохранения заряда , открытый Франклином (см. ниже). Пока мы что-то считаем или складываем, имеет смысл сделать один вид заряда положительным, а другой — отрицательным. Как мы будем назначать, что есть что?

Проблема в том, что никогда не было и никогда не будет устройства, способного видеть электроны или дырки. Они слишком маленькие и слишком быстрые. Как отмечает @endolith, помимо электронов существует множество других вещей, которые могут течь для создания электрического тока. Тем не менее, физики любят выбирать условности.

Франклин попросил у нескольких своих английских коллег книги для создания научной библиотеки в Америке. В начале 1747 года английский натуралист Питер Коллинсон отправил Франклину стеклянную трубку вместе с партией книг с указаниями о том, как ее использовать в электрических экспериментах. Видимо, физики думали, что тереть трубку и бить друг друга током – это очень весело. Как весело!

25 мая 1747 года Франклин ответил Коллинсону письмом , сначала поблагодарив его за подарок, описав некоторые эксперименты, которые он провел с ним, а затем объяснив свои выводы.

Франклин описал свою конструкцию простого электроскопа, электрифицируя его с помощью трубки, а затем отключая его от находящейся поблизости иглы. Франклин пришел к выводу, что существует какой-то «элемент», который «вытягивается или сбрасывается». Он также заметил свечение, когда эти эксперименты проводились в темноте, «как у светлячка или светлячка». Поэтому Франклин назвал это «электрическим огнем», который мы сейчас называем зарядом. Он утверждал, что это новый химический элемент (сочетающий землю, воду, воздух и огонь).

Затем он описал несколько других экспериментов, но его интерпретация следующего эксперимента является наиболее важной:

Мы предполагаем, как было сказано выше, что Электрический Огонь является общим Элементом, в котором каждый из трех вышеупомянутых Лиц имеет свою равную Долю до того, как будет начата какая-либо Операция с Трубкой. Тот, кто стоит на воске и трет трубку, собирает электрический огонь из себя в стекло; и его связь с обыкновенным стеблем прерывается воском, и его тело не восстанавливается немедленно. Б, который также стоит на воске, проводя костяшкой рядом с трубкой, получает Огонь, собранный стеклом от А; и его Связь с обыкновенными акциями также прекращена, он сохраняет за собой полученное дополнительное количество. C, стоящей на полу, оба кажутся наэлектризованными; ибо тот, у кого есть только среднее Количество Электрического Огня, получает Искру при приближении к Б, у которого избыточное количество, но дает одну Искру А,

Если А и В касаются друг друга, Искра между ними сильнее, потому что Разница между ними больше. После такого Прикосновения между ними и Си нет Искры; потому что Электрический Огонь во всем сводится к изначальному Равенству. Если они соприкасаются во время Электризации, Равенство никогда не разрушается, Огонь только циркулирует .

Отсюда возникли некоторые новые термины среди нас. Мы говорим, что В (и другие тела, находящиеся в подобных обстоятельствах) наэлектризованы положительно ; Отрицательно : Или, скорее, B наэлектризован плюс и минус . И мы ежедневно в наших Экспериментах электризуем Тела плюс или минус, как мы считаем нужным. Эти Условия мы можем использовать до тех пор, пока ваши Философы не дадут нам лучшее.

Бенджамин Франклин, Письмо Питеру Коллинсону, 25 мая 1747 г. Добавлен акцент.

Франклин открыл закон сохранения заряда. В частности, он утверждал, что его «электрический огонь» только распространялся , никогда не уничтожался и оставался в равном количестве. Поскольку электрический огонь исходил от стеклянного стержня, он понял, что объекты, получающие электрический огонь, были положительно заряжены.

Стекло — одно из самых трибоэлектрически положительных веществ; только полиуретан (еще не изобрели) и человеческая кожа и волосы тем более. Если бы вместо этого Коллинсон отправил Франклину стержень из серы, трибоэлектрически отрицательный, вполне вероятно, что сегодня мы бы говорили о положительно заряженных электронах. Я нахожу поэтичным, что «электрический огонь» можно сделать из «серы».

Франклин был в чем-то прав насчет «этих терминов, которые мы можем использовать до тех пор, пока ваши философы не дадут нам лучшего». Действительно, именно англичанин (физик Дж. Дж. Томсон) обнаружил, что настоящие частицы, движущиеся по цепи — которые он назвал «электронами», — заряжены отрицательно. К сожалению, несмотря на то, что появилось что-то «лучшее», условность прижилась.

Возвращаясь к исходному вопросу, почему соглашение «неправильное»? Наиболее распространенный носитель заряда (электрон) течет в одном направлении, но направление тока заряда выражается в противоположном направлении. Противоположные направления создают путаницу среди учащихся: это не интуитивно понятно, это сбивает с толку, учащиеся часто применяют неправильное направление (или игнорируют направление), и это расстраивает учащихся. Таким образом, когда вы изучаете электричество, это «неправильно».

Иногда лучше использовать электроны, а иногда лучше использовать ток. Точно так же, как в раздвижной головоломке иногда вы хотите переместить пронумерованную часть, а иногда вы хотите переместить отверстие. Опытный практик знает, какой из них применить, и даже не задумывается о разнице.

Соглашение Бенджамина Франклина о зарядах не является «неправильным» в том смысле, что оно приводит к физически неправильным ответам, но оно «плохо» в том смысле, что оно требует обращения с ненужными знаками минус, которых не было бы, если бы электрону приписывалось положительное значение. обвинение.

На мой взгляд, эта проблема является наиболее серьезной не в контексте течения, а в физике элементарных частиц. Все деконфайнментированные элементарные фермионы в Стандартной модели имеют одинаковый электрический заряд, и было бы гораздо естественнее приписать частицам «материи» положительный заряд, а частицам «антиматерии» — отрицательный заряд, но, к сожалению, согласно действующему соглашению, все обстоит иначе. около. Это приводит к огромным головным болям со знаками — настолько серьезным, что на полпути к книге Средницкого по КТП он фактически переопределяет$e$от заряда электрона к заряду протона, что делает очень раздражающим сравнение результатов до и после этой точки. (Конечно, вместо этого мы могли бы поменять местами соглашения о том, какие частицы являются «материей», а какие — «антиматерией», но согласно этому соглашению подавляющее большинство наблюдаемой Вселенной будет состоять из антиматерии, что было бы еще худшим соглашением.)

Это просто условность, возникшая (я думаю) в 19 веке до того, как было установлено существование электронов. Особого значения в этом нет.

В$p$В полупроводниках типа можно смоделировать протекание тока как движение положительных дырок , и они движутся от положительного полюса к отрицательному полюсу. Однако на самом деле движутся электроны, и вам будет сложно интерпретировать ток в металлах, используя эту модель.

Электричество — это проявление электронного движения, которое заряжено отрицательно.

Но совсем недавно, когда этого еще не знали, Франклин предложил называть недостаток электронов положительным, а избыток электронов отрицательным; который следует сейчас !!! что в конечном итоге привело к тому, что электронный заряд стал известен как отрицательный!!!

Бедному электрону теперь приходится жить с отрицательным зарядом, который ему навязал Франклин.

На самом деле, в электрической терминологии, ток течет от положительного вывода к отрицательному; в то время как физически электроны перетекают от отрицательного вывода к положительному. Итак, теперь из-за этой ошибки Франклина мы вынуждены называть электрический поток обратным потоку электронов!!!

Я бы тоже хотел, чтобы было наоборот, жизнь была бы чуточку проще!!

Положительные заряды притягивают отрицательные заряды. То же самое касается положительного потенциала (отрицательный заряд хочет, чтобы его потенциал был как можно выше). Таким образом, электрон течет от -полюса к +полюсу, увеличивая свой потенциал в процессе.

Вы можете видеть положительный полюс как положительный заряд, который пытается притянуть электрон.

Или следовать утвержденному ответу: «Это потому, что мы определили заряд электрона как отрицательный заряд, и эти условности смешиваются». Если бы мы переключили все отрицательные заряды на положительные, а положительные на отрицательные единицы, то ток и поток электронов совпали бы. Это просто вопрос соглашения.

Названия двух типов электричества не являются неправильными, и это вовсе не может быть вопросом человеческого соглашения.

(в этом ответе я буду использовать слова «плюс» и «минус» вместо «положительно» и «отрицательно»)

«Плюс» — воздействие наружу (расширение, выдувание, взрыв, ян), «минус» — воздействие внутрь (сжатие, всасывание, имплозия, инь). Например, акт вдоха — это плюс, потому что наша грудь расширяется; акт выдоха минус, т.к. он уменьшается в размерах.

Из истории электромагнетизма известно, что Бенджамин Франклин (1705-1790) — человек, который первым ввел термины «положительный» и «отрицательный», т. е. «плюс/минус» в области электричества в середине XIX в. 18 век. Ранее разные виды электричества назывались «стекловидным» (что означает «стекло») и «смолистым» (что означает «янтарь»), так как стекло и янтарь чаще всего натирали предметами для получения противоположного электричества. В то время, когда Франклин сделал свой вклад, люди фактически говорили о двух типах электрических жидкостей; однако Франклин утверждал, что существует только один электрический флюид, а избыток и недостаток его в объектах он называл «плюсом» и «минусом». Он сказал, что тела в нормальном состоянии содержат среднее количество этой жидкости и поэтому нейтральны.

Остается загадкой, как этот тип мышления привел к тому, что стеклянное электричество было названо «плюсом», а янтарное электричество «минусом», хотя было записано, что Франклин — это человек, который приписал плюс стеклу, а минус — стеклу. янтарное электричество.

Что эти вещи (то есть плюс и минус в электричестве и в магнетизме) не произвольны, у меня есть доказательство, которое я называю окончательным доказательством. Доказательство является окончательным, когда мы воспринимаем истину непосредственно (непосредственно, непосредственно) нашими чувствами, в данном случае глазами.

Если мы вращаем диски машины Вимшерста, поворачивая рукоятку вручную вправо в темной комнате (наиболее заметные результаты можно увидеть ночью в комнате, куда проникает небольшой уличный свет), и если мы делаем это для по крайней мере 10-15 секунд, чтобы глаза привыкли к слабому свету, мы заметим, что горизонтальные квадранты испускают световое мерцание, тогда как вертикальные полностью темные. При повороте рукоятки влево мерцание перемещается в вертикальные квадранты, тогда как горизонтальные теперь остаются темными. Присмотревшись еще внимательнее к сцене, мы заметим существенную качественную разницу между тем, что происходит в левом и правом квадранте (т.е. верхнем и нижнем при повороте рукоятки влево). Мерцание в одном горизонтальном квадранте направлено от металлических секторов наружу, в другом внутрь. Другими словами, в левом квадранте металлические сектора темны и вокруг них светится мерцающий свет, а в правом квадранте металлические сектора освещены и вокруг них темно.

Металлические сектора на изображении рисуются целиком, а не по отдельности, потому что световое явление предстает как единое целое; точнее, как два целого, один левый и один правый, а не по отдельности в секторах.

Электричество левого квадранта (рисунок слева) такое же, как стекловидное тело; электричество правого квадранта такое же, как и смолистое электричество. Я не буду объяснять, как это определяется, потому что этот ответ станет намного длиннее (вы можете проверить его здесь https://newtheories.info ). Итак, если Бенджамин Франклин определил, что положительного, а что отрицательного в электричестве, он сделал это правильно.

Если середину кольцевого магнита (вынутого из небольшого громкоговорителя) заполнить железными опилками, затем постучать по магниту, чтобы позволить железному порошку свободно принять свою форму, становится отчетливо видна разница между одной и другой стороной. На полюсе, который указывает на север, очевидна форма выдувания (как если бы мы выдвигали губы вперед), а на полюсе, который указывает на юг, форма всасывания (как если бы мы втягивали губы внутрь). Следовательно, плюсовой полюс с эффектом наружу — это южный магнитный полюс Земли, а минусовой полюс с эффектом внутрь — это магнитный северный полюс Земли.

Электрический ветер де-юре и де-факто дует от плюса к минусу батареи через соединительный провод. Но я объясню это в другом ответе.

PS Что я имею в виду под "электрическим ветром", можно прочитать здесь https://www.quora.com/What-is-meant-by-electric-wind-What-are-some-examples/answer/Mitko-Gorgiev