Заблуждения об электрической теории

Автор здесь.

Все это правильно? Конечно. Он взят прямо из учебников по физике, и этот список обсуждался преподавателями (в основном на PHYS-L, в первые дни существования сети). В течение многих лет я обновлял его с многочисленными небольшими исправлениями.

Если вы обнаружите, что материал противоречит тому, чему вас учили... то есть проблема.

Этот список распространенных заблуждений был собран из многочисленных источников, включая учебники, популярные статьи и множество взрослых экспертов (инженеров-электриков на многих форумах). понимание электричества. Эта статья выросла из центрального вопроса во время моей работы над дизайном выставки в Музее науки в Бостоне: как мы должны преподавать «электричество» на нашей новой выставке? Тексты K-6, которые мы изучили, были полны основных фактических ошибок, а также вводящих в заблуждение упрощений, поэтому мы не могли использовать их в качестве основы для обучения. Нашей целью стало: объяснить классику E&M маленьким детям, бабушкам и дедушкам, но сделать это так, чтобы не создавать многочисленных барьеров, мешающих дальнейшему обучению. (См. «Учебники проваливаются», Boston Globe, 1999 г.).http://virus.lucifer.com/virus.2Q99/1096.html )

И да, неэлектронные токи распространены: так работают нервы, так могут существовать электрические токи в грязи и в океанах, и исключительно протонные токи распространены в электролите батареи (где их обычно называют положительными ионами водорода). Распространенное заблуждение, что «электрический ток» означает «поток электронов» и ничего больше. Возможно, если бы мы обучали только будущих специалистов по ремонту, то было бы приемлемо избегать неметаллических проводников, притворяясь, что все токи представляют собой потоки электронов. Но детям, будущим инженерам и ученым, нужно более широкое понимание. (Я думаю, что широкая публика хотела бы такого более широкого понимания.)

Да, можно учить «лжи детей», пока эти упрощения не приводят к устойчивым заблуждениям и препятствиям в обучении. Например, атомы похожи на маленькие солнечные системы с электронами, вращающимися вокруг ядра? Без проблем. Эти упрощения обновляются позже, поэтому они гораздо более полезны, чем вредны. Специалисты-химики не сопротивляются яростно концепциям квантовой механики орбиталей/облаков и до конца своей карьеры упорно цепляются за модель солнечной системы. Но в электронике такие вещи распространены. Серьезные проблемы возникают, когда эти чрезмерно упрощенные концепции никогда не подвергаются сомнению, и они становятся долговременными барьерами для обучения, которые сохраняются во взрослой жизни.

Это все что-то новое? Нет, список был составлен в конце 1980-х годов, а более глубокая проблема ошибок в учебниках — это серьезная проблема, тянущаяся десятилетиями, и с ней до сих пор борются сотни людей, см., например, http://www.textbookleague.org/ttlindex.htm . Даже Ричард Фейнман упоминает об этом в книге «Судя о книгах по обложке». http://www.textbookleague.org/103feyn.htm Обратите внимание, что Фейнман обнаружил, что не может продвинуться вперед, и ему пришлось сдаться. Это должно нам что-то сказать.

Являются ли перечисленные заблуждения неизбежным следствием упрощения ЭМ-физики для детей? Определенно нет, и с тех пор, как я написал свои статьи, появилось несколько учебников для начальной школы, в которых полностью отсутствуют ошибки. Несколько издателей действительно прислушались к критике и внесли серьезные изменения. Это или сами критики написали новые книги.

Объясняя электромагнитную физику на уровне начальной школы и удаляя все типичные вводящие в заблуждение / неправильные объяснения, эти тексты демонстрируют, что используемые концепции не слишком сложны и не подходят только для уровня колледжа. Они демонстрируют, что проблемы в более ранних книгах были настоящими ошибками, которые легко устранить. И, очевидно, они показывают, что над этой проблемой работает все сообщество, а не только я. И так, больше ссылок...

1. Учебная программа по электричеству ЗАМКА М.С. Стейнберга. Это был конечный результат проекта 1980-х годов по переработке школьных материалов для устранения известных заблуждений учащихся об электричестве с помощью прямых практических экспериментов с использованием суперконденсаторов, ламп накаливания и генераторов постоянного тока с ручным заводом. http://www.ptec.org/items/detail.cfm?ID=4438

2. Смитсоновский институт/Национальные академии, 2002 г. «Электроэнергетика и проектирование схем». Авторы создали с нуля всю учебную программу по электричеству для средней школы и избежали каждой проблемы из моего списка, включая даже отдельный список «статического электричества». http://www.amazon.com/Electrical-~Science-Technology-Concepts-schools~/dp/0892788968

3. Серия «Исследователь науки» Прентиса Холла 2007 г., «Электричество и магнетизм». Опять же, никаких заблуждений из моего списка. Этот текст написан доктором К. Уэйнрайтом из проекта конденсатора «замок». http://www.amazon.com/Electricity-Magnetism-Ph-D-Camille-Wainwright/dp/0133651150

4. Г. Маквортер, 1987 г., "Основное электричество JE-101", Radio Shack. Инженер-электрик упрощает физику E&M, избегая при этом всех «заразных заблуждений». Интересно, что он, по-видимому, сделал это независимо до появления исследований заблуждений об электричестве и, конечно, задолго до того, как я смог опубликовать свою собственную работу в Интернете. http://www.amazon.com/Electricity-JE-101-Science-Junior-Engineering/dp/B00071OWRE

Обратите внимание, что, за исключением Prentice-Hall, основные образовательные издательства K-12 не последовали их примеру. Чтобы найти этот «исправленный» учебный материал, школьный округ должен получать свою продукцию не по обычным каналам.

А как насчет всех студентов-инженеров, у которых в начальной школе накопилось множество неправильных представлений? Даррен Эшби сейчас (2005 г.) продает «учебник», который тщательно изучает пункт за пунктом и устраняет все повреждения. Так что теперь мне не придется писать самому! «Электротехника 101: все, что вы должны были выучить в школе… но, вероятно, не выучили» http://www.amazon.com/Electrical-Engineering-101-Third-School-but/dp/0123860016

И не пропустите статью Сефтона 2002 года:

Понимание электричества и электрических цепей: чего не говорят учебники http://science.uniserve.edu.au/school/curric/stage6/phys/stw2002/sefton.pdf

Нет. Мы говорим о детях 5-13 лет. Концепции, о которых говорит источник, очень изощренны. Когда мы говорим о маленьких детях, необходим уровень упрощения. Я изучал (сейчас заканчиваю) двойную степень по физике и инженеру-электрику. и что я видел, так это то, что даже на курсах бакалавриата и магистратуры в университете курсы, предназначенные для инженеров-электриков или программистов, часто упрощают вовлеченную физику до такой степени, которой не было бы в курсах физики, для лучшего понимания общий более важный принцип. Например, вам не нужно изучать квантовую физику, достаточно знать, что электрон может находиться только на дискретных уровнях в атоме.

Я коснусь 8 утверждений, которые вы здесь приводите.

Некоторые утверждения источника явно ложны. Например, первое и утверждение «статический заряд». Другие утверждения, которые источник «фальсифицирует», находятся прямо внутри твердых материалов, а другие — прямо внутри металла, поскольку полупроводники, плазма и ионные токи — довольно сложные материалы, и дети не часто видят потоки плазмы или полупроводники, но у большинства из них электричество ассоциируется только с электрическими проводами и, может быть, простыми электрическими приборами, такими как лампочки, выключатели и печи, можно с уверенностью предположить, что, когда вы говорите об электричестве детям, даже если вы не заявляете об этом прямо, вы предполагаете, что внутри них ток. металлические проводники.

Давайте посмотрим на приведенные здесь утверждения и посмотрим, верны ли они. Мои источники - это то, чему меня учили во время учебы в бакалавриате по физике. Для справки вы можете посмотреть книгу, которая была учебником, когда я изучаю основы Электричества и Магнетизма, Электричества и Магнетизма от Беркли , или вы можете посмотреть курс, снятый в Массачусетском технологическом институте профессором Уолтером Левином . Некоторые ответы включают в себя сложный материал из более продвинутых курсов или предметов, в конце я приведу список книг, которые были учебниками, когда я изучал эти предметы.

Все электрические токи являются потоками электронов?

Да. Есть понятие положительного потока заряда, где носителями заряда являются дырки, однако на микроуровне это все-таки поток электронов, с противоположной стороны создающий недостаток электронов, которые «движутся». Однако это НЕ физика начального уровня, а преподается на курсах твердого тела или курсах полупроводников. Просто чтобы уточнить, дырки являются носителями положительного заряда, однако дырки не являются реальной частицей, они представляют собой отсутствие электронов.

РЕДАКТИРОВАТЬ : после консультации с профессором физики и проведения дополнительных исследований по этому вопросу я понимаю, что ошибался здесь. Вот фиксированная версия: протоны — это ионизированные атомы водорода, ионная проводимость присутствует в плазме , жидкостях и может присутствовать в некоторых твердых телах. Но этого нет ни в металлах, ни в проводах, ни в любом «классическом» электроприборе. поскольку мы предполагаем, что разговариваем с 13-летним ребенком, мы не говорим о плазме, нейротрансмиттерах или полупроводниках, так что да, внутри металлической проволоки весь электрический ток возникает из-за смещения электронов.*

«Электричество» состоит из электронов, а не из протонов? Неа.

Заряды «электричества» несут как электроны, так и протоны

Не уверен, что "Электричество состоит из электронов, а не протонов?" означает, потому что Электричество - это концепция, а не реальные вещи, точно так же, как говорят, что гравитация состоит из массы, а относительность состоит из света. Если они означают, что и протоны, и электроны могут образовывать электрический ток, то см. предыдущий ответ.

Электроны - это частица энергии? Неправильный.

Электроны и протоны - это материя, а не энергия.

Электроны и протоны — это материя, а не энергия, фотоны — это частицы энергии. Однако, когда мы говорим с 13-летним ребенком о передаче энергии от электростанции в их дом, то сказать, что электростанция обеспечивает энергию в виде тока, который перемещает электроны, это вполне разумное упрощение.

«Электричество» несет нулевую массу, потому что электроны имеют маленькую массу? Нет.

Величины «Электричества» (имеется в виду заряд) имеют вес, потому что заряд является частью частиц материи.

Единственное, что я должен сказать, это WTF?!, у электронов есть масса, как и у протонов, но заряд — это свойство, он не «несет массу». цвет". Есть 2 типа частиц, которые имеют заряд: лептоны ( электрон , мюон и тау ) и кварки , каждая из этих частиц имеет массу и заряд, но заряд и масса являются свойствами частицы, а не частицы сами по себе (протоны и нейтроны из кварков). Это материал физики элементарных частиц.

Если смысл в том, что у электронов нет массы, то да, у них нет массы. Масса электрона примерно в 10^3 раз меньше, чем у протона, для всех практических целей электрон не добавляет массы к массе атома. Поскольку, опять же, мы говорим с детьми, и мы не рассчитываем подвижность различных материалов (физика твердого тела) или движение отдельных электронов (квантовая физика), то приближение, что у электронов нет массы, достаточно.

Положительный заряд — это просто потеря электронов? Неправильный.

Положительный заряд состоит не из «недостающих электронов». Положительный заряд сам по себе является подлинным типом заряда.

Правда, протон сам по себе имеет положительный заряд. Однако, поскольку большинство объектов в природе имеют нейтральный заряд, то для того, чтобы иметь положительный заряд, вам нужно будет избавиться от отрицательного заряда (электрона) и получить ионизированный атом с положительным зарядом. Поскольку детей учат тому, что есть в природе, а в природе нет свободного положительного заряда, не отняв ни одного электрона, опять же, приемлемо.

Положительный заряд не может течь? Совершенно неправильно.

Электрические токи в металлическом проводе представляют собой потоки электронов, но во многих других материалах могут течь как положительные, так и отрицательные заряды.

Положительно заряженные частицы, то есть протоны , не могут течь внутри твердого вещества, только электроны могут, в некоторых случаях мы скажем, что есть «дырки», которые несут положительный заряд, и они текут внутри материала, но дырки — это всего лишь реальная частица, только представление об отсутствии электронов, протоны не перемещаются со своего места внутри твердого тела (они могут колебаться на месте). См. первый пункт.

Чтобы создать «статический» заряд, мы переносим электроны? Не всегда.

«Статические» или несбалансированные заряды могут быть созданы путем удаления электронов из нейтрального атома.

В первом предложении они говорят: «Чтобы создать «статический» заряд, мы переносим электроны», но затем они говорят «создается путем удаления электронов из нейтрального атома», что то же самое, что перенос электрона. Вы получите статический заряд, если просто «уберете» электрон, но электрон должен куда-то деться.

«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» ВНУТРИ ПРОВОДОВ ДВИЖЕТСЯ СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА? Неправильный.

В металлах электрический ток представляет собой поток электронов. Во многих книгах утверждается, что эти электроны движутся со скоростью света. Это неправильно. Электроны в электрическом токе на самом деле текут довольно медленно, со скоростью порядка сантиметров в минуту.

Электричество не движется со скоростью света, только свет (фотоны) движется со скоростью света, а скорость света меняется в разных материалах. Это единственный пункт, где я согласен с источником. В то время как электроны движутся с очень высокими скоростями, «ток» — это скорость их дрейфа, которая намного меньше (не знаю, правы ли они, так как скорость составляет несколько сантиметров в секунду, но она меняется в зависимости от величины приложенного поля, поэтому очевидно, что скорость тока будет меняться, если вы приложите 1,5В или 1э5В к проводнику). Если есть учебник, в котором говорится, что электроны движутся со скоростями, близкими к скорости света, но при этом не говорится, что ток не течет с такой скоростью, то этот учебник неверен.

Объяснение скорости дрейфа в зависимости от скорости:

Электроны движутся в случайных направлениях с очень высокой скоростью. Когда мы говорим о текущей скорости, мы говорим о скорости дрейфа. Электрон движется в разных случайных направлениях внутри материала, затем сталкивается с другой частицей, теряет всю свою скорость и начинает двигаться в новом случайном направлении. Когда приложено электрическое поле, электрон будет двигаться немного больше в одном направлении и, следовательно, дрейфует в этом направлении. Вот почему текущая скорость, а не ускорение, зависит от приложенной силы. Хорошее видео, объясняющее эту тему

Окончательный вывод:

У нас есть сообщение (и я бы даже назвал его разглагольствованием), что детей младше 14 лет не учат университетской физике на уровне бакалавриата и магистратуры со всеми тонкими нюансами. Хотя в некоторых случаях источник может иметь достоинства и жизнеспособную точку зрения, если он касается того, что студенты, не являющиеся физиками (такие как EE, CS, MEC и другие), преподаются по упрощенной физике, источник не обращается к ним, а вместо этого обращается к маленькие дети в начальной школе. Даже если заявить, что это адресовано взрослым людям, которые не работают на работах, связанных с физикой, или занимаются профессиями, связанными с физикой, это все равно было бы слишком мелочно, поскольку люди, которым не нужны точные детали, могут быть ушел очень хорошо с базовым пониманием предмета.

Вы не можете объяснить физику на уровне, который требует источник, не тратя много времени на объяснение и изучение всех предметов, которые необходимы для полного и реального понимания, включая математику высокого уровня, базовый (университетский базовый = средний школьный). передовые) химия и физика, которая лежит в основе этих законов, включая физику элементарных частиц, теорию относительности, квантовую механику, статистическую физику, термодинамику, электромагнитную теорию и, возможно, даже больше, зайдите на веб-сайт любого колледжа или университета, посмотрите список курсов, которые необходимо пройти студентам перед изучением курса физики твердого тела, это все, что вам нужно знать, чтобы понять, почему одни частицы могут проводить ток в одном материале, а другие в другом.

Поскольку полное объяснение — это очень, очень, очень длинное и трудное объяснение, лучше оставить людей и особенно детей с некоторыми базовыми знаниями о принципах, лежащих в основе явлений, которые они видят каждый день, чем оставить их вообще без объяснений.

Вы можете видеть из исходного материала на уровне бакалавриата, который я здесь предоставляю, что все те нюансы и мелкие детали преподаются студентам, которые изучают предмет в университете, и что нет страха перед физиком, который думает, что протоны не имеют заряда, связанного с ними.

Источники для других тем, затронутых здесь:

Физика элементарных частиц: учебника нет, но вы можете посмотреть полный курс Стэнфорда по этому предмету на You Tube .

Полупроводники и физика твердого тела: Физика твердого тела / Ashcroft & Mermin

*- Электромагнитная теория также имеет дело с магнитными токами, то есть смещением магнитного заряда. Но поскольку магнитные носители заряда никогда не были обнаружены в природе, это чисто теоретический аспект ЭМ теории.

Является ли теория, которую обычно преподают в школе, настолько ложной, как утверждает страница?

Это может быть немного нечетко, потому что это было много лет. Однако, когда я учился в школе (средняя школа и немного электротехники), мы узнали, что:

• электрический заряд был переносом (накоплением) электронов.
• Протоны являются частью атомов, и когда электронов не хватает, у вас положительный заряд.
• Электрический ток представляет собой поток электронов и измеряется в Амперах (Кулонах в секунду).
• Электричество может проходить через неметаллы по-разному, как ионы в воде.

Кажется, он почти говорит, что большая часть этого неверна. Но затем продолжает объяснять, что это не так, но это еще не все.

Например, с сайта:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО СДЕЛАНО ИЗ ЭЛЕКТРОНОВ? Неправильный. Помимо электронов текут и другие вещи. Это правда, что электрический ток в металлах представляет собой поток электронов.

Ключевое слово здесь: « *in metals.*На самом деле, то, чему нас учат в школе, не было неверным, но применимо к электричеству, которое мы обычно используем и изучаем, а именно к цепям, состоящим из металлических проводников».

Даже в статье Википедии об Амперах (мера электрического тока) указаны единицы измерения в электронах в секунду:

С практической точки зрения, ампер — это мера количества электрического заряда, проходящего через точку электрической цепи в единицу времени с 6,241 × 10^18 электронов , или один кулон в секунду , составляющий один ампер.

То, чему нас учат, не является неверным , я думаю, что оно просто неполное , т.е. слишком упрощенное, как вы сказали. Вы можете перейти к более специализированным исследованиям и расширить то, что вы узнали ранее.

Итак, чтобы ответить на ваш вопрос, из того немногого, что я читал на сайте, кажется, что сайт правильный. Сначала просто вводят в заблуждение, говоря всем, что они «неправы», когда на самом деле то, чему их учили, просто «упрощено».

На этом сайте нет ничего новаторского, и он выглядит почти как кто-то, разглагольствующий против системы образования за то, что она не обучает детей начальных классов продвинутым темам обучения (средняя школа и университет).

Моя жена преподает в классе K/1. Все очень упрощенно. Обучение их измерению в основном сводится к вопросу: «Это больше, чем это?» Никаких единиц или чего-то подобного... На каждом шагу, который вы изучаете, вероятно, легко думать: "Это все, что нужно сделать", пока вы не перейдете на следующий уровень... это человеческая природа - любопытствовать обо всем, но также я нахожу человеческую природу думать, что вы знаете все о предмете, когда вы узнали о нем немного. Только когда вы действительно войдете в это, вы обнаружите, что ничего не знаете.