Haben Sie jemals das Sliding-15-Puzzle gespielt? Es gibt fünfzehn Gleitstücke mit den Nummern 1 bis 15, die in einem 4x4-Raster angeordnet sind. Es hat ein "Loch", in dem es kein Stück gibt. Sie können jedes Teil neben dem Loch in dieses Feld verschieben.
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Was bewegt sich während des Spiels: die nummerierten Teile oder das Loch ?
Technisch gesehen verschieben Sie die nummerierten Teile. Sie sind die Elektronen, die physischen Objekte, die sich bewegen. Sie können sie sogar dazu bringen, sich auf einem vollständigen Pfad (einem geschlossenen Kreislauf) zu bewegen.
Aber wenn Sie dieses Spiel lange genug gespielt haben, erkennen Sie schnell, wie wichtig das Loch für die Strategie des Spiels ist. Ein erfahrener Spieler kann das Loch bewegen, wo immer er will, und das Loch kann sich sogar in einem geschlossenen Kreislauf bewegen. Das Loch repräsentiert die Abwesenheit von Elektronen und kann sich genauso bewegen wie die Elektronen selbst. In der Halbleitertheorie nennen wir sie sogar offiziell "Löcher" und behandeln sie wie ein Teilchen, obwohl dies nicht der Fall ist.
Egal wie Sie zählen, es bewegt sich etwas. In der Elektrizität nennen wir dies "Ladung". Ben Franklin nannte es "elektrisches Feuer" (siehe unten).
Beachten Sie, dass es bei jeder Bewegung immer 15 nummerierte Teile und 1 Loch gibt. Wir sagen, dass dies Ladungserhaltung ist und von Franklin entdeckt wurde (siehe unten). Solange wir Dinge zählen oder hinzufügen, ist es sinnvoll, eine Art von Ladung positiv und eine andere Art negativ zu machen. Wie sollen wir zuweisen, welches welches ist?
Das Problem ist, dass es noch nie ein Gerät gegeben hat und geben wird, das Elektronen oder Löcher sehen kann. Sie sind einfach zu klein und zu schnell.
Wie @endolith außerdem hervorhebt, gibt es viele andere Dinge als Elektronen, die fließen können, um elektrischen Strom zu erzeugen. Dennoch wählen Physiker gerne Konventionen.
Franklin bat mehrere seiner englischen Kollegen um Bücher, um eine wissenschaftliche Bibliothek in Amerika einzurichten. Anfang 1747 schickte der englische Naturforscher Peter Collinson Franklin eine Glasröhre zusammen mit einer Sendung Bücher mit Anweisungen zur Verwendung in elektrischen Experimenten. Anscheinend fanden es die Physiker sehr lustig, die Röhre zu reiben und sich gegenseitig zu schockieren. Wie viel Spaß!
Am 25. Mai 1747 schrieb Franklin einen Brief an Collinson zurück, in dem er sich zuerst für das Geschenk bedankte, einige der Experimente beschrieb, die er damit durchgeführt hatte, und dann seine Schlussfolgerungen erläuterte.
Franklin beschrieb seinen Aufbau eines einfachen Elektroskops, das mit der Röhre elektrifiziert und dann mit einer nahe gelegenen Nadel entelektrisiert wurde. Franklin kam zu dem Schluss, dass es eine Art "Element" gibt, das "abgezogen oder abgeworfen" wird. Er bemerkte auch ein Leuchten, wenn diese Experimente im Dunkeln durchgeführt wurden, "wie das einer Feuerfliege oder eines Glühwürmchens". Franklin nannte es daher "elektrisches Feuer", das wir jetzt Ladung nennen. Er machte geltend, dass dies ein neues chemisches Element ist (um Erde, Wasser, Luft und Feuer zu verbinden).
Er beschrieb dann mehrere andere Experimente, aber seine Interpretation des folgenden Experiments ist das wichtigste:
Wie oben erwähnt, nehmen wir an, dass elektrisches Feuer ein gemeinsames Element ist, von dem jede der drei oben genannten Personen den gleichen Anteil hat, bevor eine Operation mit der Röhre begonnen wird. Wer auf Wachs steht und die Röhre reibt, sammelt das elektrische Feuer von sich selbst im Glas; und da seine Kommunikation mit den Stammaktien vom Wachs abgeschnitten wird, wird sein Körper nicht sofort wieder versorgt. B, der ebenfalls auf Wachs steht und seinen Knöchel in der Nähe der Röhre weitergibt, erhält das Feuer, das das Glas von A gesammelt hat; und da seine Kommunikation mit den Stammaktien ebenfalls unterbrochen ist, behält er die zusätzlich erhaltene Menge. bis C, auf dem Boden stehend, scheinen beide elektrisiert zu sein; denn er, der nur die mittlere Menge an elektrischem Feuer hat, erhält einen Funken, wenn er sich B nähert, der eine Übermenge hat, aber einen an A gibt, der eine Untermenge hat.
Wenn sich A und B berühren, ist der Funke zwischen ihnen stärker, weil der Unterschied zwischen ihnen größer ist. Nach einer solchen Berührung gibt es keinen Funken zwischen einem von ihnen und C; weil das elektrische Feuer insgesamt auf die ursprüngliche Gleichheit reduziert ist. Wenn sie sich während des Elektrisierens berühren, wird the Equality niemals zerstört, das Feuer zirkuliert nur .
Daher sind unter uns einige neue Begriffe entstanden. Wir sagen, B (und andere Körper gleichermaßen) sind elektrifiziert. positively; A negativ: Oder besser gesagt, B ist plus und A minus elektrifiziert. Und wir elektrisieren täglich in unseren Experimenten Körper plus oder minus, wie wir es für richtig halten. This Begriffe, die wir verwenden können, bis Ihre Philosophen uns besser geben.
Benjamin Franklin, Brief an Peter Collinson, 25. Mai 1747. Hervorhebung hinzugefügt.
Franklin hatte die Erhaltung der Ladung entdeckt. Insbesondere behauptete er, dass sein "elektrisches Feuer" nur zirkulierte , nie zerstört war und in Gleichheit blieb. Da das elektrische Feuer vom Glasstab kam, machte es für ihn Sinn, dass Objekte, die elektrisches Feuer erhielten, positiv geladen waren
Glas ist eine der triboelektrisch positivsten Substanzen. Nur Polyurethan (noch nicht erfunden) und menschliche Haut und Haare sind es mehr. Hätte Collinson Franklin stattdessen einen Schwefelstab geschickt - der triboelektrisch negativ ist -, würden wir heute wahrscheinlich über positiv geladene Elektronen sprechen. Ich finde es poetisch, dass "elektrisches Feuer" aus "Schwefel" hergestellt werden kann.
Franklin hatte etwas Recht mit "Diese Begriffe können wir verwenden, bis Ihre Philosophen uns bessere geben." In der Tat war es ein Engländer (Physiker J. J. Thomson), der entdeckte, dass die tatsächlichen Teilchen, die sich in einem Kreislauf bewegen - den er "Elektronen" nannte -, negativ geladen sind. Leider blieb die Konvention bestehen, obwohl etwas "Besseres" hinzukam.
Zurück zur ursprünglichen Frage: Warum ist die Konvention "falsch"? Der häufigste Ladungsträger (das Elektron) fließt in eine Richtung, die Richtung des Ladestroms wird jedoch in die entgegengesetzte Richtung ausgedrückt. Die entgegengesetzten Richtungen sorgen bei den Lernenden für Verwirrung: Es ist nicht intuitiv, es ist verwirrend, die Lernenden wenden häufig die falsche Richtung an (oder ignorieren die Richtung) und es frustriert die Lernenden. Wenn Sie Elektrizität lernen, ist dies "falsch".
Es gibt Zeiten, in denen es besser ist, Elektronen zu verwenden, und andere Zeiten, in denen Sie Strom verwenden sollten. So wie das Schiebepuzzle Zeiten hat, in denen Sie ein nummeriertes Stück bewegen möchten, und andere Male, in denen Sie ein Loch bewegen möchten. Ein erfahrener Praktiker weiß, welche er anwenden soll, und denkt nicht einmal über den Unterschied nach.