Hai mai giocato al puzzle scorrevole di 15? Ci sono quindici pezzi scorrevoli, numerati da 1 a 15, disposti in una griglia 4x4. Ha un "buco" dove non c'è pezzo. Puoi spostare qualsiasi pezzo adiacente al buco in quello spazio.
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Mentre giochi, cosa si muove: i pezzi numerati o il buco ?
Tecnicamente parlando, stai spostando i pezzi numerati. Sono gli elettroni, gli oggetti fisici che si muovono. Puoi anche farli muovere in un percorso completo (un circuito chiuso).
Ma se hai giocato a questo gioco per abbastanza tempo, ti rendi subito conto di quanto sia importante il buco per la strategia del gioco. Un giocatore esperto può spostare la buca dove vuole e la buca può anche muoversi in un circuito chiuso. Il buco rappresenta l'assenza di elettroni e può muoversi proprio come possono fare gli elettroni stessi. Nella teoria dei semiconduttori, li chiamiamo persino ufficialmente "buchi" e li trattiamo come una particella, anche se non lo sono.
In qualunque modo tu conti, c'è qualcosa che si muove. In elettricità, chiamiamo questo "addebito". Ben Franklin lo chiamava "fuoco elettrico" (vedi sotto).
Nota che qualunque mossa tu faccia, ci sono sempre 15 pezzi numerati e 1 buca. Diciamo che questa è conservazione della carica ed è stata scoperta da Franklin (vedi sotto). Finché contiamo o aggiungiamo cose, ha senso rendere un tipo di carica positivo e un altro negativo. Come assegneremo quale è quale?
Il problema è che non c'è mai stato - e non ci sarà mai - un dispositivo in grado di vedere elettroni o lacune. Sono semplicemente troppo piccoli e troppo veloci.
Come sottolinea inoltre @endolith, ci sono molte altre cose oltre agli elettroni che possono fluire per produrre corrente elettrica. Tuttavia, ai fisici piace scegliere le convenzioni.
Franklin chiese a molti dei suoi colleghi inglesi dei libri, per creare una biblioteca scientifica in America. All'inizio del 1747, il naturalista inglese Peter Collinson inviò a Franklin un tubo di vetro insieme a una spedizione di libri, con le indicazioni su come veniva utilizzato negli esperimenti elettrici. Apparentemente, i fisici hanno pensato che fosse molto divertente strofinare il tubo e darsi delle scosse a vicenda. Che divertimento!
Il 25 maggio 1747, Franklin scrisse una lettera di ritorno a Collinson, ringraziandolo prima per il regalo, descrivendo alcuni degli esperimenti che aveva eseguito con esso e poi spiegando le sue conclusioni.
Franklin ha descritto la sua costruzione di un semplice elettroscopio, elettrificandolo con il tubo e quindi de-elettrificandolo con un ago vicino. Franklin ha concluso che c'è una sorta di "elemento" che viene "estratto o gettato via". Ha anche notato un bagliore quando questi esperimenti vengono eseguiti al buio, "come quello di un Fire-Fly o Glow-Worm". Franklin quindi lo chiamava "fuoco elettrico", che ora chiamiamo carica. Ha affermato che si tratta di un nuovo elemento chimico (per unire terra, acqua, aria e fuoco).
Ha poi descritto diversi altri esperimenti, ma la sua interpretazione del seguente esperimento è la più importante:
Supponiamo come suddetto, che il fuoco elettrico sia un elemento comune, di cui ognuna delle tre persone sopra menzionate ha la sua quota uguale prima che qualsiasi operazione sia iniziata con il tubo. A chi sta sulla cera, e strofina il tubo, raccoglie il fuoco elettrico da se stesso nel vetro; e la sua comunicazione con le azioni ordinarie interrotta dalla cera, il suo corpo non viene nuovamente rifornito immediatamente. B, che sta similmente su Wax, passando la sua nocca vicino al tubo, riceve il fuoco che è stato raccolto dal vetro da A; e essendo parimenti interrotta la sua Comunicazione con le azioni ordinarie, egli trattiene la Quantità aggiuntiva ricevuta. a C, in piedi sul pavimento, entrambi sembrano essere elettrizzati; poiché ha solo la quantità media di fuoco elettrico riceve una scintilla quando si avvicina a B, che ha una quantità eccessiva, ma ne dà una ad A, che ha una quantità insufficiente.
Se A e B si toccano, la scintilla tra di loro è più forte, perché la differenza tra loro è maggiore. Dopo tale tocco, non c'è Scintilla tra nessuno dei due e C; perché il Fuoco Elettrico in tutto è ridotto all'Uguaglianza originale. Se si toccano durante l'elettrizzazione, the Equality non viene mai distrutto, il fuoco circola solo .
Da qui sono emersi alcuni nuovi Termini tra di noi. Diciamo che B (e altri corpi allo stesso modo circostanziati) sono elettrizzati positivamente; A Negativo : O meglio B è elettrizzato più e A meno. E quotidianamente nei nostri esperimenti elettrizziamo i corpi più o meno come riteniamo corretto. Questi termini potremmo usare fino a quando i tuoi filosofi non ci daranno di meglio.
Benjamin Franklin, Lettera a Peter Collinson, 25 maggio 1747. Enfasi aggiunta.
Franklin aveva scoperto la conservazione della carica. In particolare, ha affermato che il suo "fuoco elettrico" solo circolava , mai distrutto e rimaneva in uguaglianza di importo. Poiché il fuoco elettrico proveniva dalla bacchetta di vetro, per lui aveva senso che gli oggetti che ottenevano fuoco elettrico fossero caricati positivamente .
Il vetro è una delle sostanze più triboelettricamente positive; solo il poliuretano (non ancora inventato) e la pelle ei capelli umani lo sono di più. Se Collinson avesse invece inviato a Franklin una bacchetta di zolfo - che è triboelettricamente negativa - è probabile che oggi parleremmo di elettroni caricati positivamente. Trovo poetico che "fuoco elettrico" possa essere fatto da "zolfo".
Franklin aveva in qualche modo ragione su "Questi Termini che possiamo utilizzare fino a quando i tuoi Filosofi non ci daranno di meglio". In effetti, fu un inglese (il fisico J. J. Thomson) a scoprire che le particelle effettive che si muovono in un circuito - che chiamò "elettroni" - sono caricate negativamente. Sfortunatamente, anche se è arrivato qualcosa di "migliore", la convenzione è rimasta ferma.
Tornando alla domanda iniziale, perché la convenzione è "sbagliata"? Il portatore di carica più comune (l'elettrone) scorre in una direzione, ma la direzione della corrente di carica è espressa nella direzione opposta. Le direzioni opposte creano confusione tra gli studenti: non è intuitivo, è fonte di confusione, gli studenti spesso applicano la direzione sbagliata (o ignorano la direzione) e frustrano gli studenti. Quando impari l'elettricità, è quindi "sbagliato".
Ci sono momenti in cui è meglio usare gli elettroni e altre volte in cui dovresti usare la corrente. Proprio come il puzzle scorrevole ha momenti in cui vuoi spostare un pezzo numerato e altre volte vuoi spostare un buco. Un professionista esperto sa quale applicare e non pensa nemmeno alla differenza.