De quelle manière le courant circule-t-il vraiment?

Si vous demandez à plusieurs ingénieurs en électronique, techniciens, scientifiques ou professeurs de quelle manière le courant dans un circuit électrique circule, certains vous diront qu’il s’écoule de la borne négative d’une alimentation à travers une charge vers la borne positive de l’alimentation. D’autres vous diront tout le contraire, que le courant passe réellement du côté positif de la source de tension au moins.

Qui est droit?, Comment tant de professionnels techniques peuvent-ils être confus au sujet de quelque chose d’aussi basique que le flux actuel? Savons-nous même dans quel sens le courant circule? Et, en fait, importe-t-il réellement dans quelle direction le courant circule? Disons-le clairement tout cela en place.

Pourquoi est – ce si Important?

le principe de base de chaque application électronique est le contrôle du flux de courant. Pensez à ce sujet. Tout ce que nous faisons dans l’électronique n’est-il pas conçu pour contrôler le flux de courant d’une manière ou d’une autre pour produire un résultat utile comme la télévision, les ordinateurs ou les téléphones cellulaires? Jetez un oeil à la Figure 1., Ce modèle très simple représente toutes les applications électroniques. Nous produisons des entrées qui sont un certain type de signal électronique, les traitons d’une manière ou d’une autre, puis générons des signaux de sortie appropriés. Par exemple, le signal d’entrée peut provenir d’un microphone. Il est traité par un amplificateur pour augmenter son niveau de puissance. La sortie des lecteurs d’un haut-parleur.

FIGURE 1. Modèle simplifié de tous les circuits et équipements électroniques.

maintenant, examinez à nouveau ce qui se trouve dans cette case intitulée « processus » dans la Figure 1., Dans sa forme la plus simple, il peut ne s’agir que d’un composant électronique tel qu’une résistance. Mais il pourrait aussi s’agir d’un circuit comme un amplificateur d’instrument ou de millions de MOSFET comme dans un microprocesseur Pentium.

regardez maintenant la Figure 2. Voici une autre façon de vous aider à visualiser ce qui se passe dans tous les circuits électriques ou électroniques. Une source de tension initie le flux de courant dans une charge. La source de tension peut être une batterie, un générateur de signaux, une alimentation électrique, un signal radio ou un signal provenant d’un transducteur tel qu’un microphone ou une cellule photoélectrique. La charge est le périphérique qui produit un résultat final utile., Il pourrait être une ampoule électrique, chauffage, moteur, électrovanne, ou juste un autre circuit électronique. Maintenant, notez l’élément de contrôle. C’est le composant électronique ou le circuit qui contrôle le courant dans la charge.

FIGURE 2. Explication simplifiée du fonctionnement de tous les circuits électroniques.

Les circuits de commande peuvent être plus complexes comme un ampli-op ou un lot de portes logiques ou même une collection complète de différents circuits électroniques., Les composants et les circuits contrôlent le courant produit par l’entrée initiale de différentes manières, parfois en plusieurs étapes séquentielles et parallèles, jusqu’à ce qu’une sortie appropriée soit générée. L’essentiel ici est que la génération et le contrôle du courant sont ce que l’électronique est tout au sujet.

courant conventionnel vs flux D’électrons

Les scientifiques, les ingénieurs, les professeurs d’université et d’autres savent depuis plus de 100 ans que le courant déplace vraiment les électrons. Pourtant, ils ont continué à utiliser le modèle original de flux de courant positif à négatif., Cela est devenu connu sous le nom de flux de courant conventionnel (CCF). Aujourd’hui, ce concept est encore largement utilisé et presque universellement encore enseigné dans les sciences et l’ingénierie.

ce n’est qu’au milieu du 20e siècle que le flux d’électrons (EF) a été largement enseigné. Cela est né de la formation massive de techniciens en électronique pendant la Seconde Guerre mondiale. L’armée et la Marine ont décidé que le flux d’électrons était plus approprié que le flux de courant conventionnel, de sorte qu’ils ont développé toutes leurs classes et le matériel de formation en utilisant le flux d’électrons., Après la guerre, le flux d’électrons a pris et est devenu le principal moyen d’enseigner aux techniciens dans les collèges communautaires, les instituts techniques et les écoles professionnelles. On ne sait pas pourquoi les communautés scientifiques, d’ingénierie et universitaires ont refusé de passer au flux d’électrons. Il est probable que le sentiment était que la théorie électrique a toujours été enseignée en utilisant le modèle de flux de courant conventionnel et qu’il n’y avait pas de besoin particulier, de désir ou de raison de changer. Le changement est difficile et la tradition meurt.

Juste Ce qu’Est Un Électron?,

Un électron est une particule subatomique, l’une des différentes parties d’un atome. Les atomes sont les minuscules particules dont toute la matière est faite. Tout ce que nous savons, ressentons, voyons, touchons et sentons est composé d’atomes. Les atomes sont la plus petite particule de matériaux que nous appelons éléments. Les éléments sont les éléments de base de la nature. Les éléments typiques sont l’oxygène, l’hydrogène, le carbone, le cuivre, l’argent, l’or, et le silicium. Si vous prenez un morceau de cuivre, par exemple, et divisez-le encore et encore jusqu’à ce que vous obteniez le plus petit morceau possible qui soit encore reconnaissable comme du cuivre, alors vous avez un atome de cuivre., Tout ce qui n’est pas un élément de base est composé de deux éléments ou plus combinés pour former ce que nous appelons des composés. L’eau est un composé de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène — vous savez, H2O. le sel est un composé de sodium et de chlore (HCl). La plus petite particule reconnaissable d’un composé s’appelle une molécule.

Les atomes peuvent être divisés en parties plus petites. Comme personne n’a jamais vraiment vu d’atome, les physiciens ont théorisé pendant des siècles à quoi ressemble et est fait un atome., Une théorie populaire dit qu’un atome est constitué d’un noyau central composé de minuscules particules appelées protons et neutrons. Les protons ont une charge électrique positive. Les Neutrons sont, bien sûr, neutres. Orbitant autour du noyau sont des anneaux ou des coquilles d’électrons. Les électrons ont une charge électrique négative. Il y a autant d’électrons que de protons, donc l’atome est équilibré électriquement ou neutre. Le nombre de protons dans un atome est son numéro atomique et ce nombre établit les caractéristiques de l’élément.

la Figure 3 montre un atome de cuivre., Il y a 29 protons et 29 électrons. Avis de la coque extérieure de l’atome. C’est ce qu’on appelle la coquille de valence car elle contient les électrons qui se combinent et réagissent avec d’autres éléments pour former des liaisons chimiques dans les composés.

FIGURE 3. L’atome de cuivre.

et c’est l’électron ou les électrons de l’enveloppe de valence externe qui sont libérés pour produire un flux de courant dans les composants et circuits électriques et électroniques.,

comment le courant circule

le courant dans la plupart des circuits électriques et électroniques est un flux d’électrons. Cependant, il existe certains cas particuliers où d’autres particules sont impliquées. Supposons qu’un fil de cuivre est connecté entre les bornes positive et négative d’une cellule de lampe de poche comme sur la Figure 4. Un excès d’électrons s’accumulent sur la borne négative de la cellule tandis que la borne positive a un manque d’électrons. Cette condition est causée par l’action chimique dans la cellule.

FIGURE 4., Flux d’électrons dans un fil de cuivre.

Quand le fil de cuivre est connecté à la cellule, deux choses se produisent. Tout d’abord, la borne positive éloigne les électrons de valence des atomes de cuivre du fil. Quand un atome perd un ou plusieurs électrons, il devient un ion positif, car il a maintenant plus de protons que d’électrons. Étant positifs, les ions attirent d’autres électrons négatifs des atomes voisins créant ainsi une réaction en chaîne du flux de courant.

au même instant, la borne négative de la cellule repousse les électrons de valence des atomes voisins dans le fil de cuivre., Ces électrons libérés sont attirés par les ions positifs créés par la borne positive de la cellule. Le résultat net est un mouvement massif d’électrons de la borne négative de la batterie à la borne positive. C’est ainsi que le courant circule dans les fils et les câbles et la plupart des composants électroniques.

Tous les flux de courant ne se font pas par mouvement d’électrons. Dans certains cas, le courant est en fait le mouvement des autres transporteurs. Par exemple, les trous sont uniques au flux de courant dans certains types de matériaux semi-conducteurs., Le flux d’ions est la méthode de flux de courant dans les plasmas et les réactions électrochimiques dans les batteries.

flux de courant dans les semi-conducteurs

un semi-conducteur est un type particulier de matériau dont la résistivité ou la conductivité se situe quelque part entre celle des bons conducteurs, comme le cuivre et l’aluminium, et des isolants tels que le verre, la céramique ou le plastique. Les semi-conducteurs sont uniques en ce sens qu’ils peuvent être conçus pour avoir n’importe quel degré de conduction souhaité. Bien sûr, les semi-conducteurs sont les matériaux à partir desquels les diodes, les transistors et les circuits intégrés sont fabriqués.,

Le matériau semi-conducteur le plus courant est l’élément silicium (Si). Le Germanium (Ge) est un autre élément semi-conducteur. Il existe également des composés semi-conducteurs comme l’arséniure de gallium (GaAs), le phosphure d’indium (InP) et le silicium-germanium (SiGe). Le silicium, comme les autres matériaux semi-conducteurs, est unique en ce qu’il a quatre électrons de valence. Cette caractéristique fait que les atomes de silicium se lient ensemble de telle manière qu’ils partagent leurs électrons de valence. Le résultat est une structure de réseau cristallin unique comme celle illustrée à la Figure 5. Seuls les électrons de valence sont représentés., Notez comment les atomes partagent leurs électrons de valence avec les atomes adjacents. Le résultat est que chaque atome pense qu’il a huit électrons dans son orbite extérieure. Cela rend le matériau extrêmement stable.

FIGURE 5. Le silicium pur est constitué d’atomes qui forment des liaisons covalentes avec des atomes adjacents pour former une structure en réseau cristallin.

Les atomes de silicium forment ce qu’on appelle une structure en réseau cristallin. Tous les électrons de valence sont entièrement occupés qu’ils sont partagés entre les atomes., Cela signifie que dans une structure en réseau cristallin de silicium pur, aucun électron n’est disponible pour le flux d’électrons car ils sont tous occupés dans leurs liaisons co-valentes. En conséquence, les semi-conducteurs comme le silicium à l’état pur sont essentiellement des isolants. Bien sûr, si une chaleur suffisante est appliquée au silicium ou si une tension externe élevée est appliquée, certains électrons peuvent être libérés pour provoquer une petite quantité de flux de courant.

pour rendre la conduite du silicium, nous y ajoutons d’autres produits chimiques. Ce processus est appelé le dopage., En dopant le silicium avec des produits chimiques qui ont trois ou cinq électrons de valence, nous pouvons créer du silicium dans lequel le courant circule facilement. La Figure 6 montre ce qui se passe lorsque nous dopons le silicium avec de l’arsenic (As). L’Arsenic a cinq électrons de valence. Quatre des électrons se combinent avec les électrons des atomes de silicium adjacents pour former des liaisons co-valentes comme auparavant. Cependant, il y a un électron supplémentaire de gauche plus de. Cet électron supplémentaire est disponible pour le flux de courant.

FIGURE 6., Le matériau semi-conducteur de type N utilise des électrons pour le flux de courant.

Le silicium dopé avec des produits chimiques qui ont un électron supplémentaire est appelé un semi-conducteur de type N. Le » N  » signifie négatif, qui se réfère à l’électron négatif supplémentaire. Lorsqu’une tension externe est appliquée à un morceau de matériau semi-conducteur de type N, le courant circule facilement lorsque les électrons non liés sont attirés et tirés à travers le silicium par la tension externe. Si le silicium est fortement dopé à l’arsenic, de nombreux électrons libres sont disponibles et une grande quantité de courant circulera., Cela revient à dire que le matériau a une très faible résistance. Si seulement quelques atomes d’arsenic sont ajoutés, moins d’électrons sont disponibles pour le flux de courant, de sorte que le niveau de courant sera moindre avec une tension externe. Un tel matériau a une résistance beaucoup plus élevée.

comme vous pouvez le voir, le flux de courant dans le matériau semi-conducteur de type N est toujours par électrons. Cependant, nous pouvons également doper le silicium avec un matériau qui n’a que trois électrons de valence. Ceci est illustré à la Figure 7 où le silicium est dopé avec des atomes de bore (B).,

FIGURE 7. Matériau semi-conducteur de type P où les trous sont les porteurs de courant.

Les trois électrons de valence de l’atome de bore forment des liaisons co-valentes avec des atomes de silicium adjacents. Cependant, l’un des atomes de silicium manque un électron. Cet électron de valence manquant est appelé trou. Un trou n’est donc pas une particule réelle, mais simplement une vacance dans la coquille de valence de la structure du réseau cristallin qui agit comme un vecteur de courant. Cette vacance ou ce trou a une charge positive., Si un électron passe près du trou, il sera attiré et il remplira le trou, complétant la liaison co-valent.

le flux de courant dans ce type de matériau semi-conducteur se fait au moyen de trous. Ce type de matériau semi-conducteur est appelé matériau de type P. P signifie positif, qui se réfère à la charge du trou.

Lorsqu’une tension électrique est appliquée à un morceau de matériau semi-conducteur de type P, des électrons s’écoulent dans le matériau à partir de la borne négative de la source de tension et remplissent les trous., La charge positive de la source de tension externe tire les électrons des orbites externes, créant de nouveaux trous. Ainsi, les électrons se déplacent de trou en trou. Les électrons circulent toujours du négatif au positif, mais les trous passent du positif au négatif lorsqu’ils sont créés par la charge externe.

flux D’ions

Dans certains types de matériaux, en particulier les liquides et les plasmas, le flux de courant est une combinaison d’électrons et d’ions.

la Figure 8 montre le dessin simplifié d’une cellule de tension., Toutes les cellules sont constituées de deux électrodes de matériaux différents immergées dans un produit chimique appelé électrolyte. La réaction chimique qui a lieu sépare les charges qui sont créées. Les électrons s’empilent sur une électrode car il abandonne les ions positifs créant la borne négative tandis que les électrons sont tirés de l’autre électrode créant la borne positive.

FIGURE 8. Flux de courant dans une cellule chimique.,

chaque fois que vous connectez une charge externe à cette batterie, les électrons circulent de la plaque négative, à travers la charge, à l’électrode positive. À l’intérieur de la cellule, les électrons passent du positif au négatif tandis que les ions positifs passent du négatif au positif.

vivre dans le déni

alors pourquoi continuons-nous à perpétuer le mythe du flux de courant conventionnel (CCF) alors que nous savons depuis un siècle que le courant dans la plupart des circuits électriques et électroniques est un flux d’électrons (EF)? Cela fait des années que je pose cette question à mes collègues et à d’autres membres de l’industrie et du milieu universitaire., Malgré le fait que le flux d’électrons soit la réalité, toutes les écoles d’ingénieurs insistent sur L’enseignement du CCF. Si vous étiez dans les forces armées ou si vous avez gravi les échelons en tant que technicien, il y a de fortes chances que vous ayez appris et que vous favorisiez le flux d’électrons.

la façon dont vous l’avez appris à l’école est ce que vous avez tendance à utiliser lorsque vous concevez, analysez, dépannez ou enseignez dans le monde réel.

est-ce vraiment important?

comme vous le savez peut-être, peu importe la direction actuelle que vous utilisez car l’analyse et la conception des circuits fonctionnent de toute façon. En fait, ce problème n’affecte que le courant continu qui circule dans une seule direction., En courant alternatif, les électrons circulent dans les deux sens, aller-retour à la fréquence de fonctionnement. Mais si cela n’a vraiment pas d’importance quelle direction nous prenons, alors pourquoi ne pas nous conformer à la vérité et mettre fin à ce non-sens une fois pour toutes?

en Conclusion

Si jamais vous voulez commencer une conversation animée, peut-être même un argument, essayez d’aborder ce sujet dans un groupe de personnes techniques. Vous serez peut-être surpris de l’intensité des sentiments et des attitudes sanctifiantes des deux côtés., Je l’ai fait à de nombreuses reprises et je suis toujours étonné de la réponse émotionnelle que ce problème génère.

ma conclusion est que le concept de CCF ne sera jamais abandonné. Cela revient à nous forcer tous à passer au système métrique de mesure en utilisant des mètres et des degrés Celsius plutôt que des pieds et des degrés Fahrenheit avec lesquels nous sommes plus familiers et plus à l’aise. CCF continuera à être enseigné à partir de maintenant. J’en suis venu à accepter tout cela comme l’une des bizarreries étrangères de l’électronique., NV

note historique

Les premiers chercheurs en électricité ont d’abord découvert le concept de tension et de polarité, puis ont ensuite défini le courant comme le mouvement des charges. Le terme tension signifie l’énergie qui fait circuler le courant. Initialement, les tensions ont été créées par des moyens statiques tels que le frottement ou par éclaircissement. Plus tard, des cellules chimiques et des batteries ont été utilisées pour créer une charge ou une tension constante. Des générateurs mécaniques ont ensuite été développés.

Les Charges font référence à une sorte d’objet physique qui se déplace lorsqu’il est soumis à la force de la tension., Bien sûr, au 18ème siècle, ceux qui travaillaient sur des projets électriques ne savaient pas vraiment quelles étaient les charges. Pour tout ce qu’ils savaient, les charges auraient pu être des micro cubes violets miniatures à l’intérieur d’un fil ou d’un autre conducteur. Ce qu’ils savaient, c’est que la tension faisait bouger les charges. Aux fins d’analyse et de discussion, ils ont arbitrairement supposé que les accusations étaient positives et passaient de positives à négatives. C’est un point clé. Ils ne connaissaient pas vraiment la direction du flux actuel, alors ils ont théorisé ce qui se passait. Et, comme il s’est avéré, ils ont deviné mal., Il n’y a rien de mal à se tromper car les scientifiques émettent souvent l’hypothèse d’une chose, puis constatent plus tard que la vérité est autre chose. La grande erreur est que l’hypothèse incorrecte a été retenue et enseignée comme vérité.

à la fin du 19ème siècle, il a finalement été déterminé que les charges discutées étaient vraiment des électrons et que le courant était vraiment des électrons circulant de la borne négative d’une source de tension à travers le circuit vers le côté positif de la source de tension. Le physicien britannique Joseph J. Thomson a fait cette découverte en1897., La vérité fut enfin prouvée et révélée.

le cas pour le flux de courant conventionnel.

1. Il est traditionnel.
2. la Plupart des ingénieurs et certains techniciens ont appris de cette façon.
3. Il est très difficile de changer des choses comme les manuels d’ingénierie et les symboles schématiques (les flèches des diodes et des transistors pointent dans la direction de CCF).
4. la nature humaine a horreur du changement.
5. Le CCF est devenu une norme de facto.

le cas du flux d’électrons.

1. C’est la vérité.,
2. le fonctionnement des appareils électroniques est plus facile à expliquer et à apprendre en utilisant le flux d’électrons.
3. Pourquoi ne pas standardiser sur la façon dont il est vraiment?