Hvis du spørger flere elektroniske ingeniører, teknikere, forskere eller professorer, hvilken vej strøm i et elektrisk kredsløb strømmer, vil nogle fortælle dig, at det strømmer fra den negative terminal for en forsyning gennem en belastning til den positive terminal for forsyningen. Andre vil fortælle dig lige det modsatte, at strømmen faktisk strømmer fra plussiden af spændingskilden til minus.
hvem har ret?, Hvordan kan så mange tekniske fagfolk forveksles med noget så grundlæggende som nuværende Flo?? Ved vi endda, hvilken vej strømmen strømmer? Og faktisk betyder det faktisk noget, hvilken retning strømmen strømmer? Lad os rydde alt dette op.
Hvorfor er dette så vigtigt?
kerneprincippet for enhver elektronisk applikation er styringen af strømstrømmen. Tænk over det. Er ikke alt, hvad vi gør i elektronik designet til at styre strømmen på en eller anden måde for at producere et nyttigt resultat som TV, computere eller mobiltelefoner? Tag et kig på figur 1., Denne meget enkle model repræsenterer alle elektroniske applikationer. Vi producerer input, der er en form for elektronisk signal, behandler dem på en eller anden måde og genererer derefter passende udgangssignaler. For eksempel kan indgangssignalet komme fra en mikrofon. Det behandles af en forstærker for at øge effektniveauet. Udgangen driver en højttaler.
FIGUR 1. Forenklet model af alle elektroniske kredsløb og udstyr.
overvej nu igen, hvad der er i den boks, der er mærket “proces” i Figur 1., I sin enkleste form kan det bare være en elektronisk komponent som en modstand. Men det kan også være et kredsløb som en instrumentforstærker eller millioner af MOSFETs som i en Pentium-mikroprocessor.
Se nu på figur 2. Her er en anden måde at hjælpe dig med at visualisere, hvad der sker i alle elektriske eller elektroniske kredsløb. En spændingskilde initierer strøm i en belastning. Spændingskilden kan være et batteri, signalgenerator, strømforsyning, radiosignal eller et signal fra en transducer som en mikrofon eller fotocelle. Belastningen er den enhed, der producerer noget nyttigt slutresultat., Det kan være en pære, varmeelement, motor, magnetventil eller bare et andet elektronisk kredsløb. Bemærk nu kontrolelementet. Dette er den elektroniske komponent eller kredsløb, der styrer strømmen i belastningen.
figur 2. Forenklet forklaring på, hvordan alle elektroniske kredsløb fungerer.
styrekredsløbene kan være mere komplekse som en OP-amp eller et parti logiske porte eller endda en komplet samling af forskellige elektroniske kredsløb., Komponenterne og kredsløbene styrer strømmen produceret af den oprindelige indgang på forskellige måder, undertiden i mange forskellige sekventielle og parallelle trin, indtil der genereres en passende udgang. Den nederste linje her er, at generering og styring af strøm er, hvad elektronik handler om.
konventionel strøm vs. elektronstrøm
forskere, ingeniører, universitetsprofessorer og andre har i over 100 år kendt, at strømmen virkelig bevæger elektroner. Alligevel har de fortsat med at bruge den oprindelige positive-til-negative strømningsmodel., Dette er blevet kendt som konventionel strømstrøm (CCF). I dag er dette koncept stadig meget udbredt og næsten universelt undervises stadig i videnskabs-og ingeniørprogrammer.
det var først i midten af det 20.århundrede, at elektronstrømmen (EF) blev bredt undervist. Dette skete som et resultat af den massive efteruddannelse af elektroniske teknikere i løbet af World War II. Hæren og Flåden besluttet, at elektroner var mere passende end konventionel strøm, så de udviklede alle deres klasser og uddannelse materialer ved hjælp af elektroner., Efter krigen, electron Flo.fanget på og blev den primære måde at undervise teknikere i community colleges, tekniske institutter, og erhvervsskoler. Hvorfor de videnskabelige, tekniske og akademiske samfund nægtede at skifte til elektronstrøm er ikke kendt. Det er sandsynligt, at følelsen var, at elektrisk teori altid blev undervist ved hjælp af den konventionelle strømstrømsmodel, og der var ikke noget særligt behov, ønske eller grund til at ændre sig. Forandring er vanskelig, og traditionen dør hårdt.
Hvad er en elektron?,
en elektron er en subatomær partikel, en af flere forskellige dele af et atom. Atomer er de små partikler, hvorfra alt stof er lavet. Alt, hvad vi kender, føler, ser, rører og lugter, er sammensat af atomer. Atomer er den mindste partikel af materialer, vi kalder elementer. Elementer er de grundlæggende byggesten i naturen. Typiske elementer er ilt, hydrogen, kulstof, kobber, sølv, guld og silicium. Hvis du for eksempel tager et stykke kobber og deler det igen og igen, indtil du får det mindste mulige stykke, der stadig kan genkendes som kobber, så har du et kobberatom., Alt, hvad der ikke er et grundlæggende element, består af to eller flere elementer kombineret til at danne det, vi kalder forbindelser. Vand er en forbindelse af to hydrogenatomer og et O oxygenygenatom — du ved, H2O. Salt er en forbindelse af natrium og chlor (HCl). Den mindste genkendelige partikel af en forbindelse kaldes et molekyle.
atomerne kan yderligere opdeles i mindre dele. Da ingen nogensinde har set et atom, har fysikere i århundreder teoretiseret om, hvordan et atom ser ud og er lavet af., En populær teori siger, at et atom består af en centerkerne består af bittesmå partikler kaldet protoner og neutroner. Protonerne har en positiv elektrisk ladning. Neutroner er selvfølgelig neutrale. Kredsløb omkring kernen er ringe eller skaller af elektroner. Elektronerne har en negativ elektrisk ladning. Der er så mange elektroner, som der er protoner, så atomet er afbalanceret elektrisk eller neutral. Antallet af protoner i et atom er dets atomnummer, og dette nummer fastlægger elementets egenskaber.figur 3 viser et atom af kobber., Der er 29 protoner og 29 elektroner. Bemærk atomets ydre skal. Dette kaldes valensskallen, da den indeholder elektronerne, der kombinerer og reagerer med andre elementer for at danne kemiske bindinger i forbindelser.
FIGUR 3. Kobberatomet.
og det er elektronen eller elektronerne i den ydre valensskal, der frigøres for at producere strøm i elektriske og elektroniske komponenter og kredsløb.,
hvordan strømmen strømmer
strømstrømmen i de fleste elektriske og elektroniske kredsløb er elektronstrømmen. Der er dog nogle specielle tilfælde, hvor andre partikler er involveret. Antag, at en kobbertråd er forbundet mellem de positive og negative terminaler i en lommelygtecelle som i figur 4. Et overskud af elektroner akkumuleres på cellens negative terminal, mens den positive terminal har en mangel på elektroner. Denne tilstand er forårsaget af den kemiske virkning i cellen.
figur 4., Elektron Flo.i en kobbertråd.
når kobbertråden er forbundet til cellen, sker der to ting. Først trækker den positive terminal valenselektronerne væk fra kobberatomer i ledningen. Når et atom mister en eller flere elektroner, bliver det en positiv ion, fordi det nu har flere protoner end elektroner. At være positiv, tiltrækker ionerne andre negative elektroner fra naboatomer, hvilket skaber en kædereaktion af strøm.
i samme øjeblik afviser den negative terminal af cellen valenselektronerne fra de nærliggende atomer i kobbertråden., Disse frigjorte elektroner tiltrækkes af de positive ioner, der er skabt af cellens positive terminal. Nettoresultatet er en massiv bevægelse af elektroner fra batteriets negative terminal til den positive terminal. Sådan strømmer strømmen i ledninger og kabler og de fleste elektroniske komponenter.
ikke alle strømstrømme er ved elektronbevægelse. I nogle tilfælde er strømmen faktisk bevægelsen af andre nuværende luftfartsselskaber. For eksempel er huller unikke for strømstrømmen i visse typer halvledermaterialer., Ion Flo.er metoden til strøm Flo. i plasmaer og elektrokemiske reaktioner i batterier.
strømstrøm i halvledere
en halvleder er en speciel type materiale, hvis resistivitet eller ledningsevne falder et sted mellem det for gode ledere, som kobber og aluminium, og isolatorer såsom glas, keramik eller plast. Halvledere er unikke, fordi de kan laves for at have en hvilken som helst grad af ledning ønsket. Selvfølgelig er halvledere de materialer, hvorfra dioder, transistorer og integrerede kredsløb er lavet.,
det mest almindelige halvledermateriale er elementet silicium (Si). Germanium (Ge) er et andet halvlederelement. Der er også halvlederforbindelser som galliumarsenid (GaAs), indiumphosphid (InP) og silicium-germanium (SiGe). Silicium, som andre halvledermaterialer, er unik, fordi den har fire valenselektroner. Denne egenskab får siliciumatomerne til at binde sammen på en sådan måde, at de deler deres valenselektroner. Resultatet er en unik krystalgitterstruktur som den, der er vist i figur 5. Kun valenselektronerne vises., Bemærk, hvordan atomerne deler deres valenselektroner med tilstødende atomer. Resultatet af dette er, at hvert atom mener, at det har otte elektroner i sin ydre bane. Dette får materialet til at være ekstremt stabilt.
figur 5. Ren silicium består af atomer, der danner kovalente bindinger med tilstødende atomer for at danne en krystalgitterstruktur.
siliciumatomerne danner det, der kaldes en krystalgitterstruktur. Alle valenselektroner er fuldt optaget, da de deles mellem atomerne., Hvad dette betyder er, at i en ren siliciumkrystalgitterstruktur er der ingen elektroner tilgængelige for elektronstrøm, da de alle er optaget i deres co-Valente bindinger. Som et resultat er halvledere som silicium i ren tilstand i det væsentlige isolatorer. Selvfølgelig, hvis der påføres tilstrækkelig varme på silicium eller en høj ekstern spænding påføres, kan nogle af elektronerne trækkes fri for at forårsage en lille mængde strømstrøm.
for at gøre silicium adfærd, tilføjer vi andre kemikalier til det. Denne proces kaldes doping., Ved at doping silicium med kemikalier, der har enten tre eller fem valens elektroner, kan vi skabe silicium, hvor strømmen let strømmer. Figur 6 viser, hvad der sker, når vi dope silicium med arsen (As). Arsen har fem valenselektroner. Fire af elektronerne kombineres med elektronerne i de tilstødende siliciumatomer for at danne co-Valente bindinger som før. Der er dog en ekstra elektron tilbage. Denne ekstra elektron er tilgængelig for strøm.
figur 6., N-type halvledermateriale bruger elektroner til strøm.
silicium doteret med kemikalier, der har en ekstra elektron, betegnes som en n-type halvleder. “N” betyder negativ, som henviser til den ekstra negative elektron. Når en ekstern spænding påføres et stykke N-type halvledermateriale, strømmer strømmen let, når de ubundne elektroner tiltrækkes og trækkes gennem silicium af den eksterne spænding. Hvis silicium er stærkt doteret med arsen, er mange frie elektroner tilgængelige, og en høj mængde strøm vil strømme., Dette er det samme som at sige, at materialet har en meget lav modstand. Hvis der kun tilsættes nogle få arsenatomer, er færre elektroner tilgængelige for strømstrømmen, så det nuværende niveau vil være mindre med en ekstern spænding. Et sådant materiale har en meget højere modstand.
som du kan se, er strømstrømmen i n-type halvledermateriale stadig af elektroner. Vi kan dog også dope silicium med et materiale, der kun har tre valenselektroner. Dette er illustreret i Figur 7, hvor silicium er doteret med bor (B) atomer.,
figur 7. P-type halvleder materiale, hvor huller er de nuværende bærere.
de tre valenselektroner i boratomet danner co-Valente bindinger med tilstødende siliciumatomer. Imidlertid mangler et af siliciumatomerne en elektron. Denne manglende valenselektron betegnes som et hul. Et hul er derfor ikke en faktisk partikel, men blot en ledig stilling i valensskallen i krystalgitterstrukturen, der fungerer som en nuværende bærer. Denne ledige stilling eller hul har en positiv afgift., Hvis en elektron passerer nær hullet, vil den blive tiltrukket, og den vil fylde hullet og fuldføre co-valentbindingen.
nuværende strøm i denne type halvledermateriale er ved hjælp af huller. Denne type halvledermateriale betegnes som p-type materiale. P betyder positiv, som refererer til ladningen af hullet.
når en elektrisk spænding påføres et stykke halvledermateriale af p-type, strømmer elektroner ind i materialet fra spændingskildens negative terminal og fylder hullerne., Den positive ladning af den eksterne spændingskilde trækker elektroner fra de ydre baner og skaber nye huller. Således bevæger elektroner sig fra hul til hul. Elektroner flyder stadig fra negativ til positiv, men huller bevæger sig fra positiv til negativ, da de skabes af den eksterne ladning.
ionstrøm
i visse typer materialer, især væsker og plasmaer, er strømstrøm en kombination af både elektroner og ioner.figur 8 viser den forenklede tegning af en spændingscelle., Alle celler består af to elektroder af forskellige materialer nedsænket i et kemikalie kaldet en elektrolyt. Den kemiske reaktion, der finder sted, adskiller de ladninger, der oprettes. Elektroner hober sig op på en elektrode, da det giver op positive ioner skaber den negative terminal, mens elektroner er trukket fra den anden elektrode skaber den positive terminal.
figur 8. Strøm Flo.i en kemisk celle.,
Når du tilslutter en ekstern belastning til dette batteri, strømmer elektroner fra den negative plade gennem belastningen til den positive elektrode. Inde i cellen strømmer elektroner faktisk fra positiv til negativ, mens positive ioner bevæger sig fra negativ til positiv.
at leve i benægtelse
så hvorfor fortsætter vi med at forevige myten om konventionel strømstrøm (CCF), når vi i et århundrede har kendt, at strøm i de fleste elektriske og elektroniske kredsløb er elektronstrøm (EF)? Jeg har stillet det spørgsmål om mine kolleger og andre inden for industri og akademisk i årevis., På trods af at elektronstrømmen er virkeligheden, insisterer alle ingeniørskoler på at undervise CCF. Hvis du var i de væbnede tjenester eller kom op gennem rækkerne som tekniker, er chancerne for, at du lærte og favoriserer elektronstrømmen.
den måde, du lærte det i skolen, er, hvad du har tendens til at bruge, når du designer, analyserer, fejlfinding eller underviser i den virkelige verden.
betyder det virkelig noget?
som du måske ved, betyder det ikke rigtig noget, hvilken nuværende retning du bruger som kredsløbsanalyse og design fungerer på begge måder. Faktisk påvirker dette problem kun DC, der strømmer i kun en retning., I vekselstrøm strømmer elektroner i begge retninger og bevæger sig frem og tilbage ved driftsfrekvensen. Men hvis det virkelig ikke betyder noget, hvilken retning vi antager, hvorfor går vi ikke til sandheden og afslutter denne vrøvl en gang for alle?
afslutningsvis
Hvis du nogensinde vil starte en livlig samtale, måske endda et argument, så prøv at bringe dette emne op i en gruppe tekniske mennesker. Du kan bare blive overrasket over intensiteten af følelserne og de skinhellige holdninger på begge sider., Jeg har gjort dette adskillige gange, og jeg er stadig forbløffet over det følelsesmæssige svar, dette problem genererer.
min konklusion er, at begrebet CCF aldrig vil blive forladt. Det er noget beslægtet med at tvinge os alle til at skifte til det metriske målesystem ved hjælp af meter og Celsius snarere end fødder og Fahrenheit, som vi er mere kendte og komfortable med. CCF vil fortsat blive undervist fra nu af. Jeg er kommet til at acceptere hele denne ting som en af de fremmede quuirks af elektronik., NV
historisk NOTE
tidlige forskere af elektricitet opdagede først begrebet spænding og polaritet og fortsatte derefter med at definere strøm som bevægelse af ladninger. Udtrykket spænding betyder den energi, der får strømmen til at strømme. Oprindeligt blev spændinger skabt ved statiske midler, såsom friktion eller ved lynnedslag. Senere blev kemiske celler og batterier brugt til at skabe konstant opladning eller spænding. Mekaniske generatorer blev udviklet næste.
afgifter henviser til en slags fysisk objekt, der bevæger sig, når den udsættes for spændingens kraft., Tilbage i det 18. århundrede vidste de, der arbejdede med elektriske projekter, selvfølgelig ikke rigtig, hvad afgifterne var. For alle de vidste, afgifterne kunne have været mikro miniature lilla terninger inde i en ledning eller anden leder. Hvad de vidste var, at spændingen fik ladningerne til at bevæge sig. Med henblik på analyse og diskussion antog de vilkårligt, at afgifterne var positive og flydede fra positive til negative. Dette er et centralt punkt. De vidste ikke rigtig retningen af strømstrømmen, så de teoretiserede, hvad der skete. Og som det viste sig, gættede de forkert., Der er intet galt med at være forkert, da forskere ofte antager en ting og senere finder ud af, at sandheden er noget andet. Den store fejl er, at den forkerte hypotese er blevet bevaret og undervist som sandhed.
i slutningen af det 19.århundrede blev det endelig bestemt, at ladningerne, der blev diskuteret, virkelig var elektroner, og strømmen var virkelig elektroner, der strømmer fra den negative terminal af en spændingskilde gennem kredsløbet til den positive side af spændingskilden. Den britiske fysiker, Joseph J. Thomson lavede denne opdagelse i1897., Sandheden blev omsider bevist og afsløret.
tilfældet for konventionel strøm.
- det er traditionelt.de fleste ingeniører og nogle teknikere har lært det på denne måde.
- det er en masse problemer at ændre ting som tekniske lærebøger og skematiske symboler (pilene i dioder og transistorer peger i retning af CCF).
- menneskets natur afskyr forandring.
- CCF er blevet en de facto standard.
tilfældet for elektronstrøm.
- det er sandheden.,
- betjeningen af elektroniske enheder er lettere at forklare og lære ved hjælp af elektronstrøm.
- hvorfor ikke standardisere på den måde, det virkelig er?