Ha kéred több elektronikus mérnökök, technikusok, tudósok, vagy professzorok, merre jelenlegi elektromos áramkör folyik, azt mondják, hogy folyik a negatív terminál ellátási át a terhelést a pozitív terminál a kínálat. Mások éppen az ellenkezőjét fogják mondani, hogy az áram valójában a feszültségforrás plusz oldaláról a mínuszra áramlik.
kinek van igaza?, Hogyan lehet olyan sok műszaki szakembert összekeverni valami olyan alapvető dologgal, mint a jelenlegi áramlás? Tudjuk egyáltalán, hogy merre folyik az áram? Valójában számít, hogy melyik irányba áramlik az áram? Tisztázzuk az egészet.
miért olyan fontos ez?
minden elektronikus alkalmazás alapelve az áramáramlás szabályozása. Gondold át. Nem minden, amit az elektronikában csinálunk, úgy tervezték, hogy valamilyen módon irányítsa az áramáramlást, hogy hasznos eredményt érjen el, mint például a TV, a számítógépek vagy a mobiltelefonok? Vessen egy pillantást az 1. ábrára., Ez a nagyon egyszerű modell az összes elektronikus alkalmazást képviseli. Olyan bemeneteket állítunk elő, amelyek valamilyen típusú elektronikus jel, feldolgozzuk őket valamilyen módon, majd megfelelő kimeneti jeleket generálunk. Például a bemeneti jel mikrofonból származhat. Ezt egy erősítő dolgozza fel a teljesítményszint növelése érdekében. A kimenet hangszórót vezet.
1.ábra. Egyszerűsített modell az összes elektronikus áramkörök és berendezések.
most fontolja meg újra, mi van az 1.ábrán “folyamat” feliratú dobozban., A legegyszerűbb formában lehet, hogy csak egy elektronikus alkatrész, például egy ellenállás. De lehet olyan áramkör is, mint egy hangszer erősítő vagy millió MOSFET, mint egy Pentium mikroprocesszor.
most nézd meg a 2. ábrát. Itt van egy másik módja annak, hogy segítsen elképzelni, mi történik az összes elektromos vagy elektronikus áramkörben. A feszültségforrás egy terhelés áramát indítja el. A feszültségforrás lehet akkumulátor, jelgenerátor, tápegység, rádiójel, vagy egy jelátalakító, például mikrofon vagy fotocella jele. A terhelés az a készülék, amely hasznos végeredményt eredményez., Ez lehet egy villanykörte, fűtőelem, motor, mágnesszelep, vagy csak egy másik elektronikus áramkör. Most vegye figyelembe a vezérlőelemet. Ez az elektronikus alkatrész vagy áramkör, amely szabályozza a terhelés áramát.
2.ábra. Egyszerűsített magyarázat az összes elektronikus áramkör működéséről.
a vezérlőáramkörök összetettebbek lehetnek, mint egy op-erősítő vagy logikai kapuk sorozata, vagy akár különböző elektronikus áramkörök teljes gyűjteménye., Az alkatrészek és áramkörök a kezdeti bemenet által termelt áramot különböző módon, néha különböző egymást követő és párhuzamos lépésekben vezérlik, amíg megfelelő kimenet nem keletkezik. A lényeg itt az, hogy az áram generálása és vezérlése az, amiről az elektronika szól.
hagyományos áram vs. elektron áramlás
tudósok, mérnökök, főiskolai professzorok, mások már több mint 100 éve tudják, hogy az áram valóban mozgó elektronok. Mégis továbbra is használják az eredeti pozitív-negatív áramáram modellt., Ezt nevezik hagyományos áramáramnak (CCF). Ma ezt a koncepciót még mindig széles körben használják, és szinte egyetemesen ma is tanítják a tudományos és mérnöki programokban.
csak a 20.század közepén tanították széles körben az elektronáramlást (EF). A hadsereg és a haditengerészet úgy döntött, hogy az elektron áramlása megfelelőbb, mint a hagyományos áramáramlás, ezért minden osztályukat és képzési anyagukat elektronáram segítségével fejlesztették ki., A háború után az elektron áramlat a közösségi főiskolák, MŰSZAKI intézetek és szakiskolák technikusainak elsődleges tanítási módjává vált. Nem ismert, hogy a tudományos, mérnöki és tudományos közösségek miért nem voltak hajlandók elektronáramra váltani. Valószínű, hogy az volt az érzés, hogy az elektromos elméletet mindig a hagyományos áramárammodell segítségével tanították, és nem volt különösebb szükség, vágy vagy ok a változásra. A változás nehéz, a hagyomány pedig nehéz.
mi az elektron?,
az elektron szubatomi részecske, az atom több különböző részének egyike. Az atomok az apró részecskék, amelyekből minden anyag készül. Minden, amit tudunk, érzünk, látunk, érintünk és szagunk atomokból áll. Az atomok a legkisebb anyagrészecskék, amelyeket elemeknek nevezünk. Az elemek a természet alapvető építőkövei. Jellemző elemek az oxigén, a hidrogén, a szén, a réz, az ezüst, az arany és a szilícium. Ha például egy rézdarabot vesz fel, majd újra és újra elosztja, amíg meg nem kapja a lehető legkisebb darabot, amely még mindig felismerhető rézként, akkor van egy rézatom., Bármi, ami nem alapvető elem, két vagy több elemből áll, amelyek együttesen alkotják az úgynevezett vegyületeket. A víz két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll-tudod, H2o. a só nátrium és klór (HCl) vegyülete. A vegyület legkisebb felismerhető részecskéjét molekulának nevezik.
az atomok tovább oszthatók kisebb részekre. Mivel még soha senki nem látott atomot, a fizikusok évszázadok óta elméleteket készítettek arról, hogy egy atom hogyan néz ki és készül., Egy népszerű elmélet szerint egy atom egy centrális magból áll, amely apró részecskékből, úgynevezett protonokból és neutronokból áll. A protonok pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek. A neutronok természetesen semlegesek. A mag körül keringő gyűrűk vagy elektronok héja. Az elektronok negatív elektromos töltéssel rendelkeznek. Annyi elektron van, mint protonok, így az atom elektromosan vagy semleges. Az atomban lévő protonok száma az atomszám, ez a szám határozza meg az elem jellemzőit.
a 3. ábra egy rézatomot mutat., 29 proton és 29 elektron van. Figyeljük meg az atom külső héját. Ezt valenciahéjnak nevezik, mivel tartalmazza azokat az elektronokat, amelyek más elemekkel kombinálják és reakcióba lépnek, hogy vegyületekben kémiai kötéseket képezzenek.
3.ábra. A réz atom.
és a külső valenciahéjban lévő elektron vagy elektron szabadul fel, hogy áramáramot termeljenek az elektromos és elektronikus alkatrészekben és áramkörökben.,
hogyan áramlik az áram
a legtöbb elektromos és elektronikus áramkör áramlása elektronáram. Vannak azonban olyan különleges esetek, amikor más részecskék is részt vesznek. Tegyük fel, hogy a 4. ábrán látható módon rézhuzal van összekötve a zseblámpa cellájának pozitív és negatív kivezetései között. Az elektronok feleslege felhalmozódik a sejt negatív terminálján, míg a pozitív terminál elektronhiánnyal rendelkezik. Ezt az állapotot a sejt kémiai hatása okozza.
4.ábra., Elektron áramlás egy rézhuzalban.
amikor a rézhuzal csatlakozik a cellához, két dolog történik. Először is, a pozitív terminál húzza a vegyértékű elektronokat a huzal réz atomjaitól. Amikor egy atom egy vagy több elektronot veszít, pozitív ionvá válik, mert most több protonja van, mint az elektronok. Mivel pozitív, az ionok más negatív elektronokat vonzanak a szomszédos atomokból, így az áramáram láncreakcióját hozzák létre.
ugyanabban a pillanatban a sejt negatív terminálja taszítja a vegyértékű elektronokat a közeli atomokból a rézhuzalban., Ezek a felszabadult elektronok vonzzák a pozitív ionokat, amelyeket a sejt pozitív terminálja hoz létre. A nettó eredmény az elektronok hatalmas mozgása az akkumulátor negatív termináljától a pozitív terminálig. Így áramlik az áram a vezetékekben, kábelekben és a legtöbb elektronikus alkatrészben.
nem minden áramáram elektronmozgással történik. Bizonyos esetekben az áram valójában más áramhordozók mozgása. Például a lyukak egyediek az áramáramláshoz bizonyos típusú félvezető anyagokban., Az ionáramlás a plazmák áramáramlásának és az akkumulátorok elektrokémiai reakcióinak módszere.
A félvezetők Áramáramlása
a félvezető olyan speciális típusú anyag, amelynek ellenállása vagy vezetőképessége valahol a jó vezetők, például a réz és az alumínium, valamint a szigetelők, például az üveg, a kerámia vagy a műanyag között esik. A félvezetők egyedülállóak abban, hogy bármilyen vezetési fokozattal rendelkezhetnek. Természetesen a félvezetők azok az anyagok, amelyekből diódák, tranzisztorok, integrált áramkörök készülnek.,
a leggyakoribb félvezető anyag A Szilícium (Si) elem. A Germanium (Ge) egy másik félvezető elem. Vannak olyan félvezető vegyületek is, mint a gallium-arzenid (GaAs), az indium-foszfid (InP), valamint a szilícium-germánium (SiGe). A Szilícium, mint más félvezető anyagok, egyedülálló abban, hogy négy valence elektronnal rendelkezik. Ez a jellemző arra készteti a szilícium atomokat, hogy összekapcsolódjanak oly módon, hogy megosszák valenciaelektronaikat. Az eredmény egy egyedi kristályrács szerkezet, mint az ábrán látható 5. Csak a valence elektronok jelennek meg., Vegye figyelembe, hogy az atomok hogyan osztják meg a valence elektronokat a szomszédos atomokkal. Ennek az az eredménye, hogy minden atom úgy gondolja, hogy nyolc elektron van a külső pályáján. Ez az anyag rendkívül stabilitását okozza.
5.ábra. A tiszta szilícium olyan atomokból áll, amelyek kovalens kötéseket képeznek a szomszédos atomokkal, hogy kristályrácsszerkezetet képezzenek.
a szilícium atomok alkotják az úgynevezett kristályrácsszerkezetet. Az összes valence elektron teljesen elfoglalt, mivel az atomok között oszlik meg., Ez azt jelenti, hogy egy tiszta szilícium kristályrácsszerkezetben elektronok nem állnak rendelkezésre az elektron áramlásához, mivel mindannyian el vannak foglalva a co-Valens kötéseikben. Ennek eredményeként a félvezetők, mint a tiszta állapotban lévő szilícium, lényegében szigetelők. Természetesen, ha elegendő hőt alkalmaznak a szilíciumra, vagy nagy külső feszültséget alkalmaznak, az elektronok egy része szabadon húzható, hogy kis mennyiségű áramáramot okozzon.
A Szilícium viselkedéséhez más vegyi anyagokat adunk hozzá. Ezt a folyamatot doppingnak nevezik., Ha a szilíciumot olyan vegyi anyagokkal doppingoljuk, amelyeknek három vagy öt valence elektronja van, akkor olyan szilíciumot hozhatunk létre, amelyben az áram könnyen áramlik. A 6. ábra azt mutatja, hogy mi történik, amikor a szilíciumot arzénnel (As) doppingoljuk. Az arzénnak öt vegyértékű elektronja van. Négy elektronok össze az elektronok a szomszédos szilícium atomok alkotnak Co-Valens kötések, mint korábban. Van azonban még egy extra elektron. Ez az extra elektron elérhető az aktuális áramláshoz.
6.ábra., Az N típusú félvezető anyag elektronokat használ az áramáramhoz.
Az extra elektronral rendelkező vegyi anyagokkal adalékolt szilíciumot N típusú félvezetőnek nevezik. Az” N ” negatív, ami az extra negatív elektronra utal. Amikor egy N típusú félvezető anyag egy darabjára külső feszültséget alkalmaznak, az áram könnyen áramlik, mivel a nem kötött elektronokat a külső feszültség vonzza és húzza át a szilíciumon. Ha a szilíciumot erősen arzénnel adalékolják, sok szabad elektron áll rendelkezésre, és nagy mennyiségű áram áramlik., Ez ugyanaz, mint azt mondani, hogy az anyag nagyon alacsony ellenállással rendelkezik. Ha csak néhány arzénatomot adunk hozzá, kevesebb elektron áll rendelkezésre az áramáramhoz, így az áramszint kisebb lesz külső feszültséggel. Az ilyen anyagnak sokkal nagyobb ellenállása van.
mint látható, az N típusú félvezető anyag áramlása még mindig elektronok által történik. A szilíciumot azonban olyan anyaggal is meg lehet kábítani, amelynek csak három valence elektronja van. Ezt a 7. ábra szemlélteti, ahol a szilíciumot bór (B) atomokkal adalékolják.,
7. P-típusú félvezető anyag, ahol lyukak a jelenlegi hordozók.
a bóratomban lévő három vegyértékű elektron kovalens kötéseket képez a szomszédos szilíciumatomokkal. Az egyik szilíciumatomból azonban hiányzik egy elektron. Ezt a hiányzó valence elektront lyuknak nevezik. A lyuk tehát nem tényleges részecske, hanem egyszerűen üresedés a kristályrács szerkezet valenciahéjában, amely úgy működik, mint egy aktuális hordozó. Ez az üresedés vagy lyuk pozitív töltéssel rendelkezik., Ha egy elektron áthalad a lyuk közelében, akkor vonzódik, majd kitölti a lyukat, kitöltve a co-valent kötést.
Az ilyen típusú félvezető anyag áramlása lyukak útján történik. Az ilyen típusú félvezető anyagot P-típusú anyagnak nevezik. P pozitív, ami a lyuk töltésére utal.
amikor egy P-típusú félvezető anyagra elektromos feszültséget alkalmaznak, az elektronok a feszültségforrás negatív kivezetéséből áramlanak az anyagba, és kitöltik a lyukakat., A külső feszültségforrás pozitív töltése elektronokat húz a külső pályákról, új lyukakat hozva létre. Így az elektronok lyukról lyukra mozognak. Az elektronok továbbra is negatívról pozitívra áramlanak, de a lyukak pozitívról negatívra mozognak, mivel azokat a külső töltés hozza létre.
ionáramlás
bizonyos típusú anyagokban, különösen folyadékokban és plazmákban az áramáramlás mind az elektronok, mind az ionok kombinációja.
a 8.ábra egy feszültségcella egyszerűsített rajzát mutatja., Minden sejt két különböző anyagból álló elektródából áll, amelyeket elektrolitnak nevezett vegyi anyagba merítenek. A kémiai reakció, amely megtörténik, elválasztja a keletkező töltéseket. Az elektronok felhalmozódnak az egyik elektródon, mivel feladja a pozitív ionokat, amelyek negatív terminált hoznak létre, miközben az elektronokat a másik elektródból húzzák, ami a pozitív terminált hozza létre.
8.ábra. Áramáram egy kémiai cellában.,
amikor külső terhelést csatlakoztat ehhez az akkumulátorhoz, az elektronok a negatív lemezről a terhelésen keresztül a pozitív elektróda felé áramlanak. A sejt belsejében az elektronok valójában pozitívról negatívra áramlanak, míg a pozitív ionok negatívról pozitívra mozognak.
élő tagadás
miért továbbra is állandósítja a mítosz a hagyományos áramáramlás (CCF), amikor már tudjuk, egy évszázada, hogy az áram a legtöbb elektromos és elektronikus áramkörök elektron flow (EF)? Évek óta kérdezem ezt a kérdést a kollégáimtól és más iparági és egyetemi munkatársaimtól., Annak ellenére, hogy az elektron áramlás a valóság, minden mérnöki iskola ragaszkodik a CCF tanításához. Ha volt a fegyveres szolgálatok, vagy jött át a soraiban, mint egy technikus, esélye van tanult, és támogatja az elektron áramlás.
az, ahogyan az iskolában megtanultad, az az, amit általában használsz, amikor tervezed, elemezed, hibaelhárítod vagy tanítasz a Való Világban.
tényleg számít?
mint azt talán tudja, nem igazán számít, hogy melyik aktuális irányt használja áramköri elemzésként, a tervezés pedig mindkét irányban működik. Valójában ez a probléma csak a DC-t érinti, amely csak egy irányba áramlik., Váltakozó áramban az elektronok mindkét irányban áramlanak, oda-vissza mozognak a működési frekvencián. De ha tényleg nem számít, hogy milyen irányba haladunk, akkor miért nem hagyjuk figyelmen kívül az igazságot, és fejezzük be ezt az ostobaságot egyszer s mindenkorra?
összefoglalva
Ha valaha élénk beszélgetést szeretne kezdeni, talán még egy érvet is, próbálja meg felhozni ezt a témát egy technikai embercsoportban. Csak lehet, hogy meglepett az intenzitás az érzések és a szentséges hozzáállás mindkét oldalon., Ezt már sokszor megtettem, és még mindig csodálkozom azon az érzelmi válaszon, amelyet ez a kérdés generál.
következtetésem az, hogy a CCF fogalmát soha nem fogják elhagyni. Ez némileg hasonlít arra, hogy arra kényszerítenek minket, hogy a metrikus mérési rendszerre váltsunk méter és Celsius helyett láb és Fahrenheit, amellyel ismertebb és kényelmesebb. A CCF-et mostantól továbbra is tanítják. Azért jöttem, hogy elfogadjam ezt az egészet, mint az elektronika egyik idegen furcsaságát., NV
történelmi megjegyzés
a villamos energia korai kutatói először felfedezték a feszültség és polaritás fogalmát, majd később az áramot a töltések mozgásának határozták meg. A feszültség kifejezés azt az energiát jelenti, amely áramlást eredményez. Kezdetben a feszültségeket statikus eszközökkel, például súrlódással vagy világítással hozták létre. Később kémiai cellákat és elemeket használtak állandó töltés vagy feszültség létrehozására. Ezután mechanikus generátorokat fejlesztettek ki.
a töltések valamilyen fizikai tárgyra utalnak, amely akkor mozog, amikor a feszültség erejének van kitéve., Természetesen a 18. században az elektromos projekteken dolgozók nem igazán tudták,mi a díj. Annyit tudtak, hogy a töltések lehetnek mikro miniatűr lila kockák egy huzalon vagy más vezetőn belül. Azt viszont tudták, hogy a feszültség okozta a töltések mozgását. Az elemzés és a vita céljából önkényesen feltételezték, hogy a díjak pozitívak és pozitívról negatívra áramlanak. Ez egy kulcsfontosságú pont. Nem igazán tudták a jelenlegi áramlás irányát, ezért elméletezték, hogy mi történik. És mint kiderült, rosszul tippeltek., Nincs semmi baj azzal, hogy rossz, mivel a tudósok gyakran egy dolgot feltételeznek, majd később megállapítják, hogy az igazság valami más. A nagy hiba az, hogy a helytelen hipotézist megtartották és igazságként tanították.
a 19. század végén végül megállapították, hogy a tárgyalt töltések valóban elektronok voltak, és az áram valójában elektronok voltak, amelyek egy feszültségforrás negatív termináljából áramoltak az áramkörön keresztül a feszültségforrás pozitív oldalára. Joseph J. Thomson brit fizikus tette ezt a felfedezést1897., Az igazság végül bebizonyosodott és feltárult.
A hagyományos áramáram esetében.
- ez a hagyományos.
- a legtöbb mérnök és néhány technikus így tanulta meg.
- sok gondot okoz olyan dolgok megváltoztatása, mint a mérnöki tankönyvek és sematikus szimbólumok (a diódák és tranzisztorok nyilai a CCF irányába mutatnak).
- az emberi természet utálja a változást.
- a CCF de facto szabvány lett.
az elektron áramlásának esete.
- ez az igazság.,
- az elektronikus eszközök működését elektronáram segítségével könnyebb megmagyarázni és megtanulni.
- miért nem szabványosítja azt, ahogy valójában van?