Pokud se zeptáte několika elektronických inženýrů, techniků, vědců, nebo profesoři, kudy proud v elektrickém obvodu teče, někteří vám řeknou, že to teče od záporné svorky napájení, přes zátěž ke kladné svorce napájení. Jiní vám řeknou pravý opak, že proud skutečně proudí z plus strany zdroje napětí do mínus.
kdo má pravdu?, Jak může být tolik technických odborníků zmateno něčím tak základním jako proudový tok? Víme vůbec, kudy proudí proud? A ve skutečnosti záleží na tom, kterým směrem proud proudí? Pojďme si to všechno vyjasnit.
proč je to tak důležité?
základním principem každé elektronické aplikace je řízení proudového toku. Přemýšlej o tom. Není všechno, co děláme v oblasti elektroniky určené k regulaci proudu v nějaký způsob, jak produkovat užitečné výsledky, jako je TELEVIZE, počítače nebo mobilní telefony? Podívejte se na obrázek 1., Tento velmi jednoduchý model představuje všechny elektronické aplikace. Vyrábíme vstupy, které jsou nějakým typem elektronického signálu, nějakým způsobem je zpracováváme a pak generujeme příslušné výstupní signály. Například vstupní signál může pocházet z mikrofonu. Zpracovává se zesilovačem, aby se zvýšila jeho úroveň výkonu. Výstup pohání reproduktor.
OBRÁZEK 1. Zjednodušený model všech elektronických obvodů a zařízení.
nyní znovu zvažte, co je v tomto poli označeno jako „proces“ na obrázku 1., Ve své nejjednodušší podobě to může být jen jedna elektronická součást, jako je odpor. Ale může to být také obvod jako přístrojový zesilovač nebo miliony MOSFETů jako v mikroprocesoru Pentium.
nyní se podívejte na obrázek 2. Zde je další způsob, jak vám pomoci vizualizovat, co se děje ve všech elektrických nebo elektronických obvodech. Zdroj napětí iniciuje proud v zátěži. Zdrojem napětí může být baterie, generátor signálu, napájení, rádiový signál nebo signál ze snímače, jako je mikrofon nebo fotobuňka. Zatížení je zařízení, které vytváří užitečný konečný výsledek., Může to být žárovka, topný článek, motor, solenoid nebo jen jiný elektronický obvod. Nyní si všimněte ovládacího prvku. Jedná se o elektronickou součást nebo obvod, který řídí proud v zátěži.
OBRÁZEK 2. Zjednodušené vysvětlení fungování všech elektronických obvodů.
řídicí obvody mohou být složitější jako operační zesilovač nebo šarže logických bran nebo dokonce kompletní sbírka různých elektronických obvodů., Komponenty a obvody řídí proud produkovaný počátečním vstupem různými způsoby, někdy v mnoha různých sekvenčních a paralelních krocích, dokud není generován vhodný výstup. Pointa je, že generování a řízení proudu je to, o čem je elektronika.
konvenční proud vs. tok elektronů
vědci, inženýři, vysokoškolští profesoři a další již více než 100 let vědí, že proud skutečně pohybuje elektrony. Přesto i nadále používají původní pozitivní až negativní proudový model., To se stalo známým jako konvenční proudový tok (CCF). Dnes je tento koncept stále široce používán a téměř univerzálně stále vyučován ve vědeckých a inženýrských programech.
až v polovině 20.století byl široce vyučován tok elektronů (EF). To se stalo asi v důsledku masivní školení elektronické techniky během druhé Světové Války. Armáda a Námořnictvo se rozhodl, že tok elektronů byl vhodnější než konvenční proud, takže oni vyvinuli všechny jejich tříd a výukových materiálů pomocí elektronového toku., Po válce, tok elektronů zachytil a stal se primárním způsobem výuky techniků na komunitních vysokých školách, technické ústavy, a odborné školy. Proč se vědecké, inženýrské a akademické obce odmítly změnit na tok elektronů, není známo. Je pravděpodobné, že pocit byl, že elektrické teorie byla vždy učil pomocí konvenční proud model a tam byl žádná zvláštní potřeba, touha, nebo důvod měnit. Změna je obtížná a tradice umírá tvrdě.
co je to elektron?,
elektron je subatomární částice, jedna z několika různých částí atomu. Atomy jsou malé částice, z nichž je vyrobena veškerá hmota. Vše, co víme, cítíme, vidíme, dotýkáme se a cítíme, se skládá z atomů. Atomy jsou nejmenší částice materiálů, které nazýváme prvky. Prvky jsou základními stavebními kameny přírody. Typickými prvky jsou kyslík, vodík, uhlík, měď, stříbro, zlato a křemík. Pokud vás vezměte kus mědi, například, a rozdělit je znovu a znovu, až se dostanete na nejmenší možný kousek, který je stále rozpoznatelný jako je měď, pak máte jeden atom mědi., Vše, co není základním prvkem, se skládá ze dvou nebo více prvků kombinovaných tak, aby tvořily to, čemu říkáme sloučeniny. Voda je sloučenina dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku — víte, H2O. Sůl je sloučenina sodíku a chlóru (HCl). Nejmenší rozpoznatelná částice sloučeniny se nazývá molekula.
atomy lze dále rozdělit na menší části. Protože nikdo nikdy neviděl atom, fyzici po staletí teoretizovali o tom, jak atom vypadá a je vyroben., Jedna populární teorie říká, že atom se skládá ze středového jádra tvořeného malými částicemi nazývanými protony a neutrony. Protony mají kladný elektrický náboj. Neutrony jsou samozřejmě neutrální. Obíhající kolem jádra jsou kroužky nebo skořápky elektronů. Elektrony mají záporný elektrický náboj. Existuje tolik elektronů, kolik je protonů, takže atom je vyvážený elektricky nebo neutrálně. Počet protonů v atomu je jeho atomové číslo a toto číslo stanoví vlastnosti prvku.
obrázek 3 ukazuje atom mědi., Existuje 29 protonů a 29 elektronů. Všimněte si vnějšího pláště atomu. To se nazývá valenční skořápka, protože obsahuje elektrony, které kombinují a reagují s jinými prvky za vzniku chemických vazeb ve sloučeninách.
OBRÁZEK 3. Atom mědi.
A to je elektron nebo elektrony ve vnější valenční, které jsou uvolněny k výrobě proudu v elektrických a elektronických součástek a obvodů.,
jak proud proudí
proudový tok ve většině elektrických a elektronických obvodů je tok elektronů. Existují však některé zvláštní případy, kdy se jedná o jiné částice. Předpokládejme, že měděný vodič je připojen mezi kladnými a zápornými svorkami baterky jako na obrázku 4. Nadbytek elektronů se hromadí na záporném terminálu buňky, zatímco pozitivní terminál má nedostatek elektronů. Tento stav je způsoben chemickým účinkem v buňce.
OBRÁZEK 4., Tok elektronů v měděném drátu.
když je měděný drát připojen k buňce, stávají se dvě věci. Za prvé, pozitivní terminál táhne valenční elektrony od atomů mědi v drátu. Když atom ztratí jeden nebo více elektronů, stává se pozitivním iontem, protože má nyní více protonů než elektrony. Být pozitivní, ionty přitahují další negativní elektrony ze sousedních atomů a vytvářejí tak řetězovou reakci proudového toku.
ve stejném okamžiku záporný terminál buňky odpuzuje valenční elektrony z blízkých atomů v měděném drátu., Tyto uvolněné elektrony jsou přitahovány k pozitivním iontům vytvořeným pozitivním terminálem buňky. Čistým výsledkem je masivní pohyb elektronů od záporného pólu baterie k kladnému pólu. Takto proudí proud ve vodičích a kabelech a většině elektronických součástek.
ne všechny proudové toky jsou pohybem elektronů. V některých případech je proud ve skutečnosti pohybem jiných současných dopravců. Například otvory jsou jedinečné pro proud v určitých typech polovodičových materiálů., Iontový tok je metoda proudového toku v plazmech a elektrochemických reakcích v bateriích.
Proud V Polovodičích
polovodič je zvláštní druh materiálu, jehož odpor nebo vodivost se pohybuje někde mezi dobré vodiče, jako je měď a hliník, a izolantů jako je sklo, keramické, nebo plastové. Polovodiče jsou jedinečné v tom, že mohou být vyrobeny tak, aby měly požadovaný stupeň vedení. Samozřejmě, polovodiče jsou materiály, ze kterých jsou vyrobeny diody, tranzistory a integrované obvody.,
nejběžnějším polovodičovým materiálem je prvek křemík (Si). Germanium (Ge) je další polovodičový prvek. Existují také polovodičové sloučeniny jako gallium arsenid (GaAs), fosfid indium (InP) a křemík-germanium (SiGe). Křemík, stejně jako jiné polovodičové materiály, je jedinečný v tom, že má čtyři valenční elektrony. Tato charakteristika způsobuje, že atomy křemíku se spojují tak, že sdílejí své valenční elektrony. Výsledkem je jedinečná struktura krystalové mřížky, jako je znázorněna na obrázku 5. Jsou zobrazeny pouze valenční elektrony., Všimněte si, jak atomy sdílejí své valenční elektrony s přilehlými atomy. Výsledkem toho je, že každý atom si myslí, že má na své vnější oběžné dráze osm elektronů. To způsobuje, že materiál je extrémně stabilní.
OBRÁZEK 5. Čistý křemík se skládá z atomů, které tvoří kovalentní vazby s přilehlými atomy, aby vytvořily strukturu krystalové mřížky.
atomy křemíku tvoří strukturu krystalové mřížky. Všechny valenční elektrony jsou plně obsazeny, protože jsou sdíleny mezi atomy., To znamená, že v čisté krystalové mřížkové struktuře křemíku nejsou pro tok elektronů k dispozici žádné elektrony, protože jsou všechny obsazeny ve svých co-valentních vazbách. Výsledkem je, že polovodiče jako křemík v čistém stavu jsou v podstatě izolátory. Samozřejmě, pokud je na křemík aplikováno dostatečné teplo nebo je aplikováno vysoké vnější napětí,některé elektrony mohou být volně vytaženy, aby způsobily malé množství proudu.
k výrobě křemíku přidáváme další chemikálie. Tento proces se nazývá doping., Dopingem křemíku chemikáliemi, které mají buď tři nebo pět valenčních elektronů, můžeme vytvořit křemík, ve kterém proud snadno proudí. Obrázek 6 ukazuje, co se stane, když dopujeme křemík arsenem (As). Arsen má pět valenčních elektronů. Čtyři elektrony se kombinují s elektrony v sousedních atomech křemíku, aby vytvořily co-valentní vazby jako dříve. Zbývá však ještě jeden elektron navíc. Tento extra elektron je k dispozici pro proudový tok.
OBR. 6., Polovodičový materiál typu N používá elektrony pro proudový tok.
křemík dopovaný chemikáliemi, které mají další elektron, se označuje jako polovodič typu N. „N“ znamená negativní, což se týká extra negativního elektronu. Když je na kus polovodičového materiálu typu N aplikováno vnější napětí, proud snadno proudí, protože nevázané elektrony jsou přitahovány a taženy křemíkem vnějším napětím. Pokud je křemík silně dopován arzenem, je k dispozici mnoho volných elektronů a bude proudit velké množství proudu., To je stejné jako říkat, že materiál má velmi nízký odpor. Pokud se přidá jen několik atomů arsenu, pro proudový tok je k dispozici méně elektronů, takže současná úroveň bude menší s vnějším napětím. Takový materiál má mnohem vyšší odolnost.
jak vidíte, proudový tok v polovodičovém materiálu typu N je stále elektrony. Můžeme však také dopovat křemík materiálem, který má pouze tři valenční elektrony. To je znázorněno na obrázku 7, kde je křemík dopován atomy boru (B).,
OBRÁZEK 7. Polovodičový materiál typu P, kde jsou otvory současnými nosiči.
tři valenční elektrony v atomu boru tvoří co-valentní vazby s přilehlými atomy křemíku. Jeden z atomů křemíku však chybí elektron. Tento chybějící valenční elektron je označován jako díra. Díra tedy není skutečná částice, ale jednoduše volné místo ve valenční skořápce krystalové mřížkové struktury, která působí jako proudový nosič. Toto volné místo nebo díra má kladný náboj., Pokud elektron projde v blízkosti otvoru, bude přitahován a vyplní otvor a dokončí spolu valentní vazbu.
proudový tok v tomto typu polovodičového materiálu je prostřednictvím otvorů. Tento typ polovodičového materiálu se označuje jako materiál typu P. P znamená pozitivní, což se týká náboje díry.
Když elektrické napětí se aplikuje na kus P-typ polovodiče, elektrony proudí do materiálu, ze záporné svorky zdroje napětí a vyplnit díry., Kladný náboj vnějšího zdroje napětí vytáhne elektrony z vnějších oběžných drah a vytváří nové otvory. Elektrony se tak pohybují z díry do díry. Elektrony stále proudí od negativního k pozitivnímu, ale otvory se pohybují od pozitivního k negativnímu, protože jsou vytvářeny vnějším nábojem.
tok iontů
u určitých typů materiálů, zejména kapalin a plazmat, je proudový tok kombinací elektronů i iontů.
Obrázek 8 ukazuje zjednodušený výkres napěťového článku., Všechny buňky se skládají ze dvou elektrod různých materiálů ponořených do chemické látky nazývané elektrolyt. Chemická reakce, která probíhá, odděluje vytvořené náboje. Elektrony hromadí na jednom elektrody, jak to dává pozitivní ionty vytváří záporný pól, zatímco elektrony jsou vytažené z druhé elektrody vytváření pozitivní terminál.
OBRÁZEK 8. Proudový tok v chemické buňce.,
při každém připojení externího zatížení k této baterii proudí elektrony ze záporné desky přes zátěž na kladnou elektrodu. Uvnitř buňky elektrony skutečně proudí z pozitivního na negativní, zatímco pozitivní ionty se pohybují od negativního k pozitivnímu.
Žijí V Popírání
Tak proč budeme i nadále udržovat mýtus konvenční proud (CCF), když jsme věděli. století, že aktuální ve většině elektrických a elektronických obvodů je tok elektronů (EF)? Tuto otázku kladu svým kolegům a dalším v oboru a akademické roky., Navzdory skutečnosti, že tok elektronů je skutečností, všechny inženýrské školy trvají na výuce CCF. Pokud jste byli v ozbrojených službách nebo jste přišli do řad jako technik, je pravděpodobné, že jste se naučili a upřednostňovali tok elektronů.
způsob, jakým jste se to naučil ve škole, je to, co máte tendenci používat při návrhu, analýze, řešení problémů, nebo učit v reálném světě.
záleží na tom?
Jak možná víte, nezáleží na tom, který aktuální směr použijete jako analýzu obvodů a návrh funguje tak či onak. Ve skutečnosti se tento problém týká pouze DC, který proudí pouze jedním směrem., Ve střídavém proudu proudí elektrony v obou směrech a pohybují se tam a zpět při frekvenci provozu. Ale pokud opravdu nezáleží na tom, jakým směrem se vydáme, tak proč se nepodřídíme pravdě a tento nesmysl jednou provždy ukončíme?
Závěr
Pokud jste někdy chtěli začít živou konverzaci, možná i argument, zkuste vychovávat toto téma v skupina technických lidí. Můžete být překvapeni intenzitou pocitů a posvátnými postoji na obou stranách., Udělal jsem to mnohokrát a jsem stále ohromen emocionální odezvou, kterou tento problém vytváří.
můj závěr je, že koncept CCF nebude nikdy opuštěn. Je to poněkud podobné tomu, že nás všechny nutí přejít na metrický systém měření pomocí metrů a Celsia spíše než nohou a Fahrenheita, se kterým jsme známější a pohodlnější. CCF bude od nynějška i nadále vyučována. Přišel jsem přijmout celou tuto věc jako jeden z podivných vtípků elektroniky., NV
HISTORICKÁ POZNÁMKA
Rané vědci elektřiny poprvé objevil pojem napětí a polarity, pak později šel na vymezení proud jako pohyb poplatky. Termín napětí znamená energii, která způsobuje proud. Zpočátku byly napětí vytvářeny statickými prostředky, jako je tření nebo zesvětlení. Později byly k vytvoření konstantního nabití nebo napětí použity chemické články a baterie. Další byly vyvinuty mechanické generátory.
poplatky se týkají nějakého fyzického objektu, který se pohybuje, když je vystaven síle napětí., Samozřejmě, v 18. století, ti, kteří pracují na elektrických projektech, opravdu nevěděli, jaké jsou poplatky. Za vše, co věděli, mohly být náboje mikro miniaturní fialové kostky uvnitř drátu nebo jiného vodiče. Věděli, že napětí způsobilo, že se poplatky pohybovaly. Pro účely analýzy a diskuse svévolně předpokládali, že poplatky jsou pozitivní a plynou z pozitivních na negativní. To je klíčový bod. Moc nevěděli směr proudu, a tak teoretizovali, co se děje. A jak se ukázalo, uhodli špatně., Není nic špatného na tom, že se mýlí, protože vědci často předpokládají jednu věc, pak později zjistí, že pravda je něco jiného. Velkou chybou je, že nesprávná hypotéza byla zachována a vyučována jako pravda.
V pozdní 19. století, to bylo nakonec zjištěno, že poplatky jsou diskutovány byly opravdu elektrony a proud byl opravdu elektrony proudí od záporného terminálu zdroj napětí přes obvod na pozitivní straně zdrojem napětí. Britský fyzik Joseph J. Thomson učinil tento objev1897., Pravda byla konečně prokázána a odhalena.
případ konvenčního proudu.
- je tradiční.
- většina inženýrů a některých techniků se to naučila tímto způsobem.
- je To hodně práce změnit věci, jako je strojírenství učebnice a schematické symboly (šipky v diody a tranzistory bod ve směru CCF).
- lidská přirozenost odporuje změnám.
- CCF se stala de facto standardem.
případ pro tok elektronů.
- je to pravda.,
- provoz elektronických zařízení je snazší vysvětlit a naučit se pomocí toku elektronů.
- proč ne standardizovat na cestě to opravdu je?