Куда течёт ток?

В каком направлении течёт электрический ток в электрической цепи? Даже школьнику известно: во внешней цепи от плюса источника энергии к минусу, а внутри источника тока от минуса к плюсу.

Вспомним, однако: электрическим током в физике и электротехнике называется упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Таковыми в металлических проводниках могут быть только отрицательно заряженные частицы — электроны, которые во внешней цепи движутся как раз наоборот: от минуса источника к плюсу. Получается, что за направление электрического тока в науке принимают направление противоположное существующему — движению электронов.

Такое парадоксальное положение электротехники как науки можно объяснить, обратившись к истории самой науки.

Среди множества концепций, которыми в старые времена пытались объяснить электрические явления, некоторые сегодня кажутся не вполне научными, но сыграли свою положительную роль.

Одну из них — унитарную теорию электричества — выдвинул американский ученый XVIII века Бенджамен Франклин. Он полагал, что электрическая материя представляет собой невесомую жидкость, которая содержится во всех телах и может вытекать из одних тел и накапливаться в других. Тела становятся наэлектризованными, и когда в них бывает её недостаток — это отрицательная электризация, а когда избыток — положительная. При соединении положительно заряженных тел с отрицательными электрическая жидкость переходит от тела с повышенным количеством жидкости к телам с пониженным количеством — как в сообщающихся сосудах.

Так Франклин ввёл понятия положительного и отрицательного зарядов и их движения, электрического тока, а англичанин Стефан Грэй обнаружил, что существуют такие вещества — металлы — которые проводят электричество от одного тела к другому.

Эти концепции предвосхитили электронную теорию проводимости.

Их современник, французский академик Шарль Франсуа Дюфе считал, что существует два вида электричества, они подчиняются каждое в отдельности теории Франклина, но при соприкосновении нейтрализуют друг друга.

Английский учёный Роберт Симмер, на основании опытов Дюфе и наблюдая за электризацией своих шелковых чулок, впервые в мире обнаружил, что заряжается не только натираемое, но и натирающее тело. То есть при трении тел друг о друга на каждом из них накапливаются заряды одного типа, причём заряды одного знака отталкиваются, а разного знака притягиваются друг к другу и компенсируются при соединении, делая тело нейтральным (незаряженным).

Дуалистическая теория стала основой для разработки ионной теории проводимости газов и растворов — после открытия явления электролиза, при котором были экспериментально установлены два противоположных направления движения зарядов — положительных — от плюса к минусу, и отрицательных — от минуса к плюсу.

В 1820 году датский учёный Ханс Христиан Эрстед открыл, что проводник с током влияет на показания магнитной стрелки, правда, сформулировал его несколько туманно: «полюс, который видит отрицательное электричество входящим над собой, отклоняется к востоку». В целях какой-то определённости в этих знаках и отклонениях член Парижской академии наук Андре-Мари Ампер предложил за основное условно принять направление одного из двух электричеств, а именно — положительное.

Почему он так решил? Возможно, потому, что упомянутый С. Грэй электропроводимость металлов уже установил, а вот обеспечивающий её отрицательно заряженный электрон английский физик Джон Джозеф Томсон открыл только в 1897 г.

Установивший существование электромагнитной индукции — наведение тока в проводнике в изменяющемся магнитном поле — Майкл Фарадей, между тем, писал: «Если я говорю, что ток идет от положительного места к отрицательному, то лишь в согласии с традиционным соглашением, заключённым между учеными — это обеспечивает постоянное ясное и определённое средство для указания направления сил этого тока».

Именно для ясного понимания и лёгкого запоминания физики электромагнитных явлений учёные — они же профессора — придумали мнемонические правила, известные нынешним школьникам и студентам как «правило левой руки» и «правило правой руки», которые, как бы для простоты, не стали отменять и после открытия реального носителя тока — электрона.

И всё бы ничего — но изобрели ещё и электронную лампу, в которой уж точно ток создаётся электронами, летящими из катода к положительно заряженному аноду. А для объяснения физических явлений в полупроводниковых приборах даже придумали виртуальный носитель положительного заряда — «дырку», то есть отсутствие электрона в молекуле, и предпочитают говорить не о направлениях тока, а о направлениях движения электронов и «дырок».

А в электротехнике всё ещё — вот уже полтораста лет — условные положительные заряды условно движутся от плюса к минусу. Можно бы, в интересах истины, поправить учебники, переписать монографии, переучить электриков. Это может вызвать путаницу и неудобства, во всяком случае, на первых порах. Но можно и не поправлять, потому что, как это обосновал американский физик и историк науки Томас Кун, всякое научное знание условно. В астрономии, например, Земля вращается вокруг солнца, а в метеорологии — Солнце вокруг земли. Физики считают законы Ньтона условными — частным случаем созданных ими двух теорий относительности — специальной и общей.

Может, и пусть остаётся как есть: от того, что мы изменим условное направление электрического тока, лампочки ярче не засветятся, мартены не погаснут, телевизоры задом-наперёд показывать не будут?

(Мы-то с вами знаем, куда течёт ток!).

Использована статья Б. Г.?Хасапова «История одного парадокса электротехники»