¿de qué manera fluye realmente la corriente? (Español)

si preguntas a varios ingenieros electrónicos, técnicos, científicos o profesores de qué manera fluye la corriente en un circuito eléctrico, algunos te dirán que fluye desde el terminal negativo de una fuente a través de una carga hasta el terminal positivo de la fuente. Otros le dirán justo lo contrario, que la corriente realmente fluye desde el lado positivo de la fuente de voltaje al menos.

¿Quién tiene razón?, ¿Cómo pueden confundirse tantos profesionales técnicos sobre algo tan básico como el flujo de corriente? ¿Sabemos siquiera en qué dirección fluye la corriente? Y, de hecho, ¿realmente importa en qué dirección fluye la corriente? Aclaremos todo esto.

¿por qué es esto tan importante?

el principio central de cada aplicación electrónica es el control del flujo de corriente. Piénsalo. ¿No está todo lo que hacemos en electrónica diseñado para controlar el flujo de corriente de alguna manera para producir un resultado útil como la televisión, las computadoras o los teléfonos celulares? Echa un vistazo a la Figura 1., Este modelo muy simple representa todas las aplicaciones electrónicas. Producimos entradas que son algún tipo de señal electrónica, las procesamos de alguna manera y luego generamos señales de salida apropiadas. Por ejemplo, la señal de entrada puede provenir de un micrófono. Es procesado por un amplificador para aumentar su nivel de potencia. La salida conduce un altavoz.

FIGURA 1. Modelo simplificado de todos los circuitos y equipos electrónicos.

Ahora, considere de nuevo lo que está en ese cuadro etiquetado como «proceso» en la Figura 1., En su forma más simple, puede ser solo un componente electrónico, como una resistencia. Pero también podría ser un circuito como un amplificador de instrumento o millones de MOSFETs como en un microprocesador Pentium.

Ahora mira la Figura 2. Aquí hay otra manera de ayudarle a visualizar lo que sucede en todos los circuitos eléctricos o electrónicos. Una fuente de voltaje inicia el flujo de corriente en una carga. La fuente de voltaje puede ser una batería, un generador de Señales, una fuente de alimentación, una señal de radio o una señal de un transductor como un micrófono o una fotocélula. La carga es el dispositivo que produce algún resultado final útil., Podría ser una bombilla, elemento de calefacción, motor, solenoide o simplemente otro circuito electrónico. Ahora, observe el elemento de control. Este es el componente electrónico o circuito que controla la corriente en la carga.

FIGURA 2. Explicación simplificada de cómo funcionan todos los circuitos electrónicos.

los circuitos de control pueden ser más complejos como un amplificador operativo o un lote de puertas lógicas o incluso una colección completa de diferentes circuitos electrónicos., Los componentes y circuitos controlan la corriente producida por la entrada inicial de varias maneras, a veces en muchos pasos secuenciales y paralelos diferentes, hasta que se genera una salida adecuada. La conclusión aquí es que generar y controlar la corriente es de lo que se trata la electrónica.

corriente convencional vs. flujo de electrones

científicos, ingenieros, profesores universitarios y otros han sabido durante más de 100 años que la corriente realmente está moviendo electrones. Sin embargo, han seguido utilizando el modelo original de flujo de corriente positivo a negativo., Esto ha llegado a ser conocido como flujo de corriente convencional (CCF). Hoy en día, este concepto sigue siendo ampliamente utilizado y casi universalmente todavía se enseña en los programas de Ciencia e ingeniería.

no fue hasta mediados del siglo XX que el flujo de electrones (EF) fue ampliamente enseñado. Esto se produjo como resultado del entrenamiento masivo de técnicos electrónicos durante la Segunda Guerra Mundial. el ejército y la Marina decidieron que el flujo de electrones era más apropiado que el flujo de corriente convencional, por lo que desarrollaron todas sus clases y materiales de entrenamiento utilizando el flujo de electrones., Después de la guerra, el flujo de electrones se hizo popular y se convirtió en la principal forma de enseñar técnicos en colegios comunitarios, institutos técnicos y escuelas vocacionales. No se sabe por qué las comunidades científica, de ingeniería y académica se negaron a cambiar al flujo de electrones. Es probable que la sensación era que la teoría eléctrica siempre se enseñó utilizando el modelo de flujo de corriente convencional y no había necesidad particular, deseo o razón para cambiar. El cambio es difícil y la tradición muere.

Qué Es Un Electrón?,

un electrón es una partícula subatómica, una de varias partes diferentes de un átomo. Los átomos son las partículas diminutas de las que está hecha toda la materia. Todo lo que sabemos, sentimos, vemos, tocamos y olemos está compuesto de átomos. Los átomos son la partícula más pequeña de los materiales que llamamos elementos. Los elementos son los componentes básicos de la naturaleza. Los elementos típicos son oxígeno, hidrógeno, carbono, cobre, plata, oro y silicio. Si tomas una pieza de cobre, por ejemplo, y la divides una y otra vez hasta que obtengas la pieza más pequeña posible que aún sea reconocible como cobre, entonces tienes un átomo de cobre., Todo lo que no es un elemento básico se compone de dos o más elementos combinados para formar lo que llamamos compuestos. El agua es un compuesto de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno — usted sabe, H2O. La sal es un compuesto de sodio y cloro (HCl). La partícula reconocible más pequeña de un compuesto se llama molécula.

los átomos se pueden dividir en partes más pequeñas. Ya que nadie ha visto realmente un átomo, los físicos han teorizado durante siglos sobre cómo se ve un átomo y de qué está hecho., Una teoría popular dice que un átomo consiste en un núcleo central formado por pequeñas partículas llamadas protones y neutrones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva. Los neutrones son, por supuesto, neutrales. Orbitando alrededor del núcleo hay anillos o conchas de electrones. Los electrones tienen una carga eléctrica negativa. Hay tantos electrones como protones por lo que el átomo está equilibrado eléctricamente o neutro. El número de protones en un átomo es su número atómico y ese número establece las características del elemento.

La Figura 3 muestra un átomo de cobre., Hay 29 protones y 29 electrones. Observe la capa exterior del átomo. Esto se llama la cáscara de Valencia, ya que contiene los electrones que se combinan y reaccionan con otros elementos para formar enlaces químicos en compuestos.

FIGURA 3. El átomo de cobre.

y es el electrón o electrones en la capa de Valencia exterior que se liberan para producir flujo de corriente en Componentes y circuitos eléctricos y electrónicos.,

cómo fluye la corriente

El flujo de corriente en la mayoría de los circuitos eléctricos y electrónicos es el flujo de electrones. Sin embargo, hay algunos casos especiales en los que están involucradas otras partículas. Supongamos que un cable de cobre está conectado entre los terminales positivos y negativos de una celda de linterna como en la Figura 4. Un exceso de electrones se acumula en el terminal negativo de la célula, mientras que el terminal positivo tiene una escasez de electrones. Esta condición es causada por la acción química en la célula.

FIGURA 4., Flujo de electrones en un alambre de cobre.

Cuando el cable de cobre está conectado a la célula, suceden dos cosas. Primero, el terminal positivo tira de los electrones de Valencia lejos de los átomos de cobre en el alambre. Cuando un átomo pierde uno o más electrones, se convierte en un ion positivo porque ahora tiene más protones que electrones. Siendo positivos, los iones atraen a otros electrones negativos de los átomos vecinos creando así una reacción en cadena de flujo de corriente.

en el mismo instante, el terminal negativo de la célula repele los electrones de Valencia de los átomos cercanos en el alambre de cobre., Estos electrones liberados son atraídos por los iones positivos creados por el terminal positivo de la célula. El resultado neto es un movimiento masivo de electrones desde el terminal negativo de la batería al terminal positivo. Así es como fluye la corriente en alambres y cables y en la mayoría de los componentes electrónicos.

no todo el flujo de corriente es por movimiento de electrones. En algunos casos, la corriente es en realidad el movimiento de otros portadores de corriente. Por ejemplo, los agujeros son exclusivos del flujo de corriente en ciertos tipos de materiales semiconductores., El flujo iónico es el método de flujo de corriente en plasmas y reacciones electroquímicas en baterías.

flujo de corriente en semiconductores

un semiconductor es un tipo especial de material cuya resistividad o conductividad se encuentra en algún lugar entre la de los buenos conductores, como el cobre y el aluminio, y los aislantes como el vidrio, la cerámica o el plástico. Los semiconductores son únicos en que se pueden hacer para tener cualquier grado de conducción deseado. Por supuesto, los semiconductores son los materiales a partir de los cuales se fabrican diodos, transistores y circuitos integrados.,

el material semiconductor más común es el elemento silicio (si). El germanio (Ge) es otro elemento semiconductor. También hay compuestos semiconductores como arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP) y silicio-germanio (SiGe). El silicio, como otros materiales semiconductores, es único en que tiene cuatro electrones de Valencia. Esta característica hace que los átomos de silicio se unan de tal manera que comparten sus electrones de Valencia. El resultado es una estructura de celosía cristalina única como la que se muestra en la Figura 5. Solo se muestran los electrones de Valencia., Observe cómo los átomos comparten sus electrones de Valencia con átomos adyacentes. El resultado de esto es que cada átomo piensa que tiene ocho electrones en su órbita exterior. Esto hace que el material sea extremadamente estable.

FIGURA 5. El silicio puro consiste en átomos que forman enlaces covalentes con átomos adyacentes para formar una estructura de red cristalina.

los átomos de silicio forman lo que se llama una estructura de celosía cristalina. Todos los electrones de Valencia están completamente ocupados ya que se comparten entre los átomos., Lo que esto significa es que en una estructura de celosía de cristal de silicio puro, no hay electrones disponibles para el flujo de electrones, ya que todos están ocupados en sus enlaces co-valentes. Como resultado, los semiconductores como el silicio en estado puro son esencialmente aislantes. Por supuesto, si se aplica suficiente calor al silicio o se aplica un alto voltaje externo, algunos de los electrones pueden liberarse para causar una pequeña cantidad de flujo de corriente.

para hacer que el silicio conduzca, le agregamos otros productos químicos. Este proceso se llama dopaje., Al dopar el silicio con sustancias químicas que tienen tres o cinco electrones de Valencia, podemos crear silicio en el que la corriente fluye fácilmente. La figura 6 muestra lo que sucede cuando dopamos silicio con arsénico (As). El arsénico tiene cinco electrones de Valencia. Cuatro de los electrones se combinan con los electrones en los átomos de silicio adyacentes para formar enlaces co-valentes como antes. Sin embargo, queda un electrón extra. Este electrón adicional está disponible para el flujo de corriente.

FIGURA 6., El material semiconductor de tipo N utiliza electrones para el flujo de corriente.

El silicio dopado con sustancias químicas que tienen un electrón adicional se conoce como un semiconductor de tipo N. La » N » significa negativo, que se refiere al electrón negativo adicional. Cuando se aplica un voltaje externo a una pieza de material semiconductor de tipo N, La corriente fluye fácilmente a medida que los electrones libres son atraídos y arrastrados a través del silicio por el voltaje externo. Si el silicio está fuertemente dopado con arsénico, muchos electrones libres están disponibles y una gran cantidad de corriente fluirá., Esto es lo mismo que decir que el material tiene una resistencia muy baja. Si solo se agregan unos pocos átomos de arsénico, hay menos electrones disponibles para el flujo de corriente, por lo que el nivel de corriente será menor con un voltaje externo. Dicho material tiene una resistencia mucho mayor.

como puede ver, el flujo de corriente en el material semiconductor de tipo N sigue siendo por electrones. Sin embargo, también podemos dopar el silicio con un material que tiene solo tres electrones de Valencia. Esto se ilustra en la Figura 7 donde el silicio está dopado con átomos de boro (B).,

FIGURA 7. Material semiconductor de tipo P donde los agujeros son los portadores de corriente.

los tres electrones de Valencia en el átomo de boro forman enlaces co-valentes con átomos de silicio adyacentes. Sin embargo, a uno de los átomos de silicio le falta un electrón. Este electrón de Valencia que falta se conoce como un agujero. Un agujero, por lo tanto, no es una partícula real, sino simplemente una vacante en la cubierta de Valencia de la estructura de red cristalina que actúa como un portador de corriente. Esta vacante o agujero tiene una carga positiva., Si un electrón pasa cerca del agujero, será atraído y llenará el agujero, completando el enlace co-Valente.

el flujo de corriente en este tipo de material semiconductor es a través de agujeros. Este tipo de material semiconductor se conoce como material de tipo P. P significa positivo, que se refiere a la carga del agujero.

cuando se aplica un voltaje eléctrico a una pieza de material semiconductor de tipo P, Los electrones fluyen hacia el material desde el terminal negativo de la fuente de voltaje y llenan los agujeros., La carga positiva de la fuente de voltaje externa tira de electrones de las órbitas externas, creando nuevos agujeros. Por lo tanto, los electrones se mueven de agujero en agujero. Los electrones todavía fluyen de negativo a positivo, pero los agujeros se mueven de positivo a negativo a medida que son creados por la carga externa.

flujo de iones

en ciertos tipos de materiales, particularmente líquidos y plasmas, el flujo de corriente es una combinación de electrones e iones.

La Figura 8 muestra el dibujo simplificado de una celda de voltaje., Todas las células consisten en dos electrodos de diferentes materiales sumergidos en una sustancia química llamada electrolito. La reacción química que tiene lugar separa las cargas que se crean. Los electrones se acumulan en un electrodo, ya que cede iones positivos creando el terminal negativo, mientras que los electrones se extraen del otro electrodo creando el terminal positivo.

FIGURA 8. Flujo de corriente en una célula química.,

cada vez que se conecta una carga externa a esta batería, los electrones fluyen desde la placa negativa, a través de la carga, al electrodo positivo. Dentro de la célula, los electrones en realidad fluyen de positivo a negativo, mientras que los iones positivos se mueven de negativo a positivo.

viviendo en negación

entonces, ¿por qué continuamos perpetuando el mito del flujo de corriente convencional (CCF) cuando hemos sabido durante un siglo que la corriente en la mayoría de los circuitos eléctricos y electrónicos es el flujo de electrones (EF)? He estado haciendo esa pregunta a mis colegas y otros en la industria y el mundo académico durante años., A pesar del hecho de que el flujo de electrones es la realidad, todas las escuelas de ingeniería insisten en enseñar CCF. Si usted estaba en las fuerzas armadas o subió a través de las filas como técnico, lo más probable es que haya aprendido y favorezca el flujo de electrones.

la forma en que lo aprendiste en la escuela es lo que tiendes a usar cuando diseñas, analizas, solucionas problemas o enseñas en el mundo real.

¿Realmente Importa?

como usted puede saber, realmente no importa qué dirección actual se utiliza como análisis de circuitos y el diseño funciona de cualquier manera. De hecho, este problema solo afecta a DC que fluye en una sola dirección., En la corriente alterna, los electrones fluyen en ambas direcciones, moviéndose hacia adelante y hacia atrás en la frecuencia de operación. Pero si realmente no importa qué dirección asumamos, entonces ¿por qué no nos apartamos de la verdad y terminamos con este sinsentido de una vez por todas?

En conclusión

Si alguna vez quieres iniciar una conversación animada, tal vez incluso una discusión, intenta mencionar este tema en un grupo de técnicos. Puede que te sorprenda la intensidad de los sentimientos y las actitudes santurronas de ambos lados., He hecho esto en numerosas ocasiones y todavía estoy sorprendido por la respuesta emocional que genera este problema.

Mi conclusión es que nunca se abandonará el concepto de marco de cooperación nacional. Es algo parecido a obligarnos a todos a cambiar al sistema métrico de medición usando metros y Celsius en lugar de pies y Fahrenheit con los que estamos más familiarizados y cómodos. CCF se enseñaba a partir de ahora. He llegado a aceptar todo esto como una de las peculiaridades extrañas de la electrónica., NV

nota histórica

Los primeros investigadores de la electricidad descubrieron por primera vez el concepto de voltaje y polaridad, y luego definieron la corriente como el movimiento de las cargas. El término voltaje significa la energía que hace que la corriente fluya. Inicialmente, los voltajes se crearon por medios estáticos como la fricción o el aligeramiento. Más tarde, se utilizaron células y baterías químicas para crear una carga o voltaje constante. A continuación se desarrollaron generadores mecánicos.

Las cargas se refieren a algún tipo de objeto físico que se mueve cuando se somete a la fuerza de la tensión., Por supuesto, en el siglo 18, los que trabajaban en proyectos eléctricos no sabían realmente cuáles eran las cargas. Por lo que sabían, las cargas podrían haber sido Micro cubos púrpuras en miniatura dentro de un cable u otro conductor. Lo que sí sabían era que el voltaje causaba que las cargas se movieran. A efectos de análisis y discusión, supusieron arbitrariamente que las acusaciones eran positivas y fluían de positivas a negativas. Este es un punto clave. No sabían realmente la dirección del flujo de corriente, así que teorizaron lo que estaba sucediendo. Y resultó que se equivocaron., No hay nada de malo en estar equivocado, ya que los científicos a menudo hipotetizan una cosa, y luego descubren que la verdad es otra cosa. El gran error es que la hipótesis incorrecta ha sido retenida y enseñada como verdad.

En el siglo 19, finalmente se determinó que los cargos que se discutieron fueron realmente los electrones y la corriente era muy electrones fluyen desde el terminal negativo de una fuente de voltaje a través del circuito hacia el lado positivo de la fuente de voltaje. El físico británico Joseph J. Thomson hizo este descubrimiento en 1897., La verdad fue finalmente probada y revelada.

el caso para el flujo de corriente convencional.

1. es tradicional.
2. La mayoría de los ingenieros y algunos técnicos lo han aprendido de esta manera.
3. Es un gran problema cambiar cosas como libros de texto de ingeniería y símbolos esquemáticos (las flechas en diodos y transistores apuntan en la dirección de CCF).
4. La naturaleza humana aborrece el cambio.
5. CCF se ha convertido en un estándar de facto.

El caso para el flujo de electrones.

1. es la verdad.,
2. El funcionamiento de los dispositivos electrónicos es más fácil de explicar y aprender utilizando el flujo de electrones.
3. ¿Por qué no estandarizar en la forma en que realmente es?