In welche Richtung fließt Strom wirklich?

Wenn Sie mehrere Elektronikingenieure, Techniker, Wissenschaftler oder Professoren fragen, in welcher Weise Strom in einem Stromkreis fließt, werden Ihnen einige sagen, dass er vom negativen Anschluss eines Netzteils durch eine Last zum positiven Anschluss des Netzteils fließt. Andere werden Ihnen genau das Gegenteil sagen, dass Strom tatsächlich von der Plusseite der Spannungsquelle zum Minus fließt.

Wer hat Recht?, Wie können so viele technische Fachleute über etwas so Grundlegendes wie Stromfluss verwirrt werden? Wissen wir überhaupt, in welche Richtung Strom fließt? Und spielt es tatsächlich eine Rolle, in welche Richtung Strom fließt? Lass uns das alles klären.

Warum Ist Das So Wichtig?

Das Kernprinzip jeder elektronischen Anwendung ist die Steuerung des Stromflusses. Nachdenken. Ist nicht alles, was wir in der Elektronik tun, darauf ausgelegt, den Stromfluss auf irgendeine Weise zu steuern, um ein nützliches Ergebnis wie Fernseher, Computer oder Mobiltelefone zu erzielen? Schau dir Abbildung 1 an., Dieses sehr einfache Modell repräsentiert alle elektronischen Anwendungen. Wir produzieren Eingänge, die eine Art elektronisches Signal sind, verarbeiten sie auf irgendeine Weise und erzeugen dann geeignete Ausgangssignale. Beispielsweise kann das Eingangssignal von einem Mikrofon kommen. Es wird von einem Verstärker verarbeitet, um seinen Leistungspegel zu erhöhen. Der Ausgang treibt einen Lautsprecher an.

ABBILDUNG 1. Vereinfachtes Modell aller elektronischen Schaltungen und Geräte.

Überlegen Sie sich nun erneut, was sich in diesem Feld mit der Bezeichnung „Prozess“ in Abbildung 1 befindet., In seiner einfachsten Form kann es sich nur um eine elektronische Komponente wie einen Widerstand handeln. Es könnte aber auch eine Schaltung wie ein Instrumentenverstärker oder Millionen von MOSFETs wie in einem Pentium-Mikroprozessor sein.

Nun schau dir Abbildung 2 an. Hier ist eine weitere Möglichkeit, Ihnen zu helfen, zu visualisieren, was in allen elektrischen oder elektronischen Schaltungen passiert. Eine Spannungsquelle initiiert Stromfluss in einer Last. Die Spannungsquelle kann eine Batterie, ein Signalgenerator, eine Stromversorgung, ein Funksignal oder ein Signal von einem Wandler wie einem Mikrofon oder einer Fotozelle sein. Die Last ist das Gerät, das ein nützliches Endergebnis erzeugt., Es könnte eine Glühbirne, ein Heizelement, ein Motor, ein Magnetventil oder nur eine andere elektronische Schaltung sein. Beachten Sie nun das Steuerelement. Dies ist die elektronische Komponente oder Schaltung, die den Strom in der Last steuert.

ABBILDUNG 2. Vereinfachte Erklärung, wie alle elektronischen Schaltungen funktionieren.

Die Steuerschaltungen können komplexer sein wie ein Operationsverstärker oder eine Charge von Logikgattern oder sogar eine vollständige Sammlung verschiedener elektronischer Schaltungen., Die Komponenten und Schaltungen steuern den durch den Anfangseingang erzeugten Strom auf verschiedene Arten, manchmal in vielen verschiedenen sequentiellen und parallelen Schritten, bis ein geeigneter Ausgang erzeugt wird. Die Quintessenz hier ist, dass die Erzeugung und Steuerung von Strom das ist, worum es in der Elektronik geht.

Konventioneller Strom vs. Elektronenfluss

Wissenschaftler, Ingenieure, Hochschulprofessoren und andere wissen seit über 100 Jahren, dass Strom wirklich Elektronen bewegt. Sie haben jedoch weiterhin das ursprüngliche positive zu negative Stromflussmodell verwendet., Dies wurde als konventioneller Stromfluss (CCF) bezeichnet. Heute ist dieses Konzept noch weit verbreitet und wird fast immer noch in naturwissenschaftlichen und technischen Programmen unterrichtet.

Erst Mitte des 20.Jahrhunderts wurde der Elektronenfluss (EF) allgemein gelehrt. Dies geschah als Ergebnis der massiven Ausbildung von Elektronikern während des Zweiten Weltkriegs. Armee und Marine entschieden, dass der Elektronenfluss angemessener war als der herkömmliche Stromfluss, und entwickelten daher alle ihre Klassen und Schulungsmaterialien unter Verwendung des Elektronenflusses., Nach dem Krieg fing der Elektronenfluss an und wurde zum primären Weg, Techniker an Gemeinschaftsschulen, technischen Instituten und Berufsschulen zu unterrichten. Warum sich die wissenschaftliche, technische und akademische Gemeinschaft weigerte, in den Elektronenfluss zu wechseln, ist nicht bekannt. Es ist wahrscheinlich, dass das Gefühl war, dass elektrische Theorie immer mit dem herkömmlichen Stromflussmodell gelehrt wurde und es keinen besonderen Bedarf, Wunsch oder Grund gab, sich zu ändern. Veränderung ist schwierig und Tradition stirbt hart.

Was Ist Ein Elektron?,

Ein Elektron ist ein subatomares Teilchen, einer von mehreren verschiedenen Teilen eines Atoms. Atome sind die winzigen Teilchen, aus denen die gesamte Materie besteht. Alles, was wir wissen, fühlen, sehen, berühren und riechen, besteht aus Atomen. Atome sind das kleinste Teilchen von Materialien, die wir Elemente nennen. Elemente sind die Grundbausteine der Natur. Typische Elemente sind Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Kupfer, Silber, Gold und Silizium. Wenn Sie beispielsweise ein Stück Kupfer nehmen und es immer wieder teilen, bis Sie das kleinstmögliche Stück erhalten, das noch als Kupfer erkennbar ist, haben Sie ein Kupferatom., Alles, was kein Grundelement ist, besteht aus zwei oder mehr Elementen, die zu sogenannten Verbindungen kombiniert werden. Wasser ist eine Verbindung von zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom — Sie wissen, H2O. Salz ist eine Verbindung von Natrium und Chlor (HCl). Das kleinste erkennbare Teilchen einer Verbindung wird Molekül genannt.

Die Atome können weiter in kleinere Teile geteilt werden. Da niemand jemals ein Atom wirklich gesehen hat, haben Physiker seit Jahrhunderten theoretisiert, wie ein Atom aussieht und woraus es besteht., Eine populäre Theorie besagt, dass ein Atom aus einem Kern besteht, der aus winzigen Teilchen besteht, die Protonen und Neutronen genannt werden. Die Protonen haben eine positive elektrische Ladung. Neutronen sind natürlich neutral. Umlaufend um den Kern sind Ringe oder Schalen von Elektronen. Die Elektronen haben eine negative elektrische Ladung. Es gibt so viele Elektronen wie Protonen, so dass das Atom elektrisch oder neutral ausgeglichen ist. Die Anzahl der Protonen in einem Atom ist seine Ordnungszahl und diese Zahl legt die Eigenschaften des Elements fest.

Abbildung 3 zeigt ein atom Kupfer., Es gibt 29 Protonen und 29 Elektronen. Beachten Sie die äußere Hülle des Atoms. Dies wird als Valenzschale bezeichnet, da es die Elektronen enthält, die sich mit anderen Elementen verbinden und reagieren, um chemische Bindungen in Verbindungen zu bilden.

ABBILDUNG 3. Das Kupferatom.

Und es sind die Elektronen oder Elektronen in der äußeren Valenzhülle, die freigesetzt werden, um Stromfluss in elektrischen und elektronischen Bauteilen und Schaltungen zu erzeugen.,

Wie Strom fließt

Stromfluss in den meisten elektrischen und elektronischen Schaltungen ist Elektronenfluss. Es gibt jedoch einige spezielle Fälle, in denen andere Partikel beteiligt sind. Angenommen, ein Kupferdraht ist wie in Abbildung 4 zwischen den positiven und negativen Anschlüssen einer Taschenlampenzelle verbunden. Ein Überschuss an Elektronen sammelt sich am negativen Anschluss der Zelle an, während der positive Anschluss einen Mangel an Elektronen aufweist. Dieser Zustand wird durch die chemische Wirkung in der Zelle verursacht.

ABBILDUNG 4., Elektronenfluss in einem Kupferdraht.

Wenn der Kupferdraht mit der Zelle verbunden ist, passieren zwei Dinge. Zuerst zieht der positive Anschluss die Valenzelektronen von den Kupferatomen im Draht weg. Wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen verliert, wird es ein positives Ion, weil es jetzt mehr Protonen als Elektronen hat. Da die Ionen positiv sind, ziehen sie andere negative Elektronen aus benachbarten Atomen an und erzeugen so eine Kettenreaktion des Stromflusses.

Im selben Moment stößt der negative Anschluss der Zelle die Valenzelektronen von den nahe gelegenen Atomen im Kupferdraht ab., Diese freigesetzten Elektronen werden von den positiven Ionen angezogen, die vom positiven Terminal der Zelle erzeugt werden. Das Nettoergebnis ist eine massive Bewegung von Elektronen vom negativen Anschluss der Batterie zum positiven Anschluss. So fließt Strom in Drähten und Kabeln und den meisten elektronischen Komponenten.

Nicht der gesamte Stromfluss erfolgt durch Elektronenbewegung. In einigen Fällen ist der Strom tatsächlich die Bewegung anderer Stromträger. Zum Beispiel sind Löcher einzigartig für den Stromfluss in bestimmten Arten von Halbleitermaterialien., Ionenfluss ist die Methode des Stromflusses in Plasmen und elektrochemischen Reaktionen in Batterien.

Stromfluss in Halbleitern

Ein Halbleiter ist ein spezieller Materialtyp, dessen Widerstand oder Leitfähigkeit irgendwo zwischen dem von guten Leitern wie Kupfer und Aluminium und Isolatoren wie Glas, Keramik oder Kunststoff liegt. Halbleiter sind insofern einzigartig, als sie so hergestellt werden können, dass sie einen beliebigen gewünschten Leitungsgrad haben. Natürlich sind Halbleiter die Materialien, aus denen Dioden, Transistoren und integrierte Schaltungen hergestellt werden.,

Das gebräuchlichste Halbleitermaterial ist das Element Silizium (Si). Germanium (Ge) ist ein weiteres Halbleiterelement. Es gibt auch Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Silizium-Germanium (SiGe). Silizium ist wie andere Halbleitermaterialien insofern einzigartig, als es vier Valenzelektronen hat. Diese Eigenschaft bewirkt, dass sich die Siliziumatome so miteinander verbinden, dass sie ihre Valenzelektronen teilen. Das Ergebnis ist eine einzigartige Kristallgitterstruktur wie in Abbildung 5. Es werden nur die Valenzelektronen angezeigt., Beachten Sie, wie die Atome ihre Valenzelektronen mit benachbarten Atomen teilen. Das Ergebnis davon ist, dass jedes Atom denkt, dass es acht Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn hat. Dadurch ist das Material extrem stabil.

ABBILDUNG 5. Reines Silizium besteht aus Atomen, die kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen bilden, um eine Kristallgitterstruktur zu bilden.

Die Siliziumatome bilden eine sogenannte Kristallgitterstruktur. Alle Valenzelektronen sind voll besetzt, da sie unter den Atomen geteilt werden., Dies bedeutet, dass in einer reinen Siliziumkristallgitterstruktur keine Elektronen für den Elektronenfluss verfügbar sind, da sie alle in ihren kovalenten Bindungen besetzt sind. Infolgedessen sind Halbleiter wie Silizium in reinem Zustand im Wesentlichen Isolatoren. Wenn dem Silizium ausreichend Wärme zugeführt wird oder eine hohe externe Spannung angelegt wird, können natürlich einige der Elektronen freigezogen werden, um einen geringen Stromfluss zu verursachen.

Um Siliziumdioxid herzustellen, fügen wir ihm andere Chemikalien hinzu. Dieser Prozess wird Doping genannt., Durch Dotierung des Siliziums mit Chemikalien, die entweder drei oder fünf Valenzelektronen haben, können wir Silizium erzeugen, in dem Strom leicht fließt. Abbildung 6 zeigt, was passiert, wenn wir Silizium mit Arsen (As) dope. Arsen hat fünf Valenzelektronen. Vier der Elektronen verbinden sich mit den Elektronen in den benachbarten Siliziumatomen zu kovalenten Bindungen wie zuvor. Es ist jedoch ein zusätzliches Elektron übrig. Dieses zusätzliche Elektron ist für den Stromfluss verfügbar.

ABBILDUNG 6., Halbleitermaterial vom N-Typ verwendet Elektronen für den Stromfluss.

Silizium, das mit Chemikalien dotiert ist, die ein zusätzliches Elektron haben, wird als Halbleiter vom N-Typ bezeichnet. Das “ N “ bedeutet negativ, was sich auf das extra negative Elektron bezieht. Wenn eine externe Spannung an ein Stück Halbleitermaterial vom N-Typ angelegt wird, fließt leicht Strom, wenn die ungebundenen Elektronen von der externen Spannung angezogen und durch das Silizium gezogen werden. Wenn das Silizium stark mit Arsen dotiert ist, stehen viele freie Elektronen zur Verfügung und es fließt viel Strom., Dies ist das gleiche wie zu sagen, dass das Material einen sehr geringen Widerstand hat. Wenn nur wenige Arsenatome hinzugefügt werden, stehen weniger Elektronen für den Stromfluss zur Verfügung, sodass der Strompegel bei einer externen Spannung geringer ist. Solches material hat einen viel höheren Widerstand.

Wie Sie sehen können, wird der Stromfluss in Halbleitermaterial vom N-Typ immer noch durch Elektronen bestimmt. Wir können das Silizium jedoch auch mit einem Material dopen, das nur drei Valenzelektronen hat. Dies ist in Abbildung 7 dargestellt, wo das Silizium mit Bor (B) – Atomen dotiert ist.,

ABBILDUNG 7. Halbleitermaterial vom Typ P, bei dem Löcher die Stromträger sind.

Die drei Valenzelektronen im Boratom bilden kovalente Bindungen mit benachbarten Siliziumatomen. Einem der Siliziumatome fehlt jedoch ein Elektron. Dieses fehlende Valenzelektron wird als Loch bezeichnet. Ein Loch ist daher kein tatsächliches Teilchen, sondern lediglich eine Vakanz in der Valenzhülle der Kristallgitterstruktur, die wie ein Stromträger wirkt. Diese Vakanz oder dieses Loch hat eine positive Ladung., Wenn ein Elektron in der Nähe des Lochs vorbeiläuft, wird es angezogen und füllt das Loch, wodurch die kovalente Bindung vervollständigt wird.

Der Stromfluss in dieser Art von Halbleitermaterial erfolgt über Löcher. Diese Art von Halbleitermaterial wird als P-Typ-Material bezeichnet. P bedeutet positiv, was sich auf die Ladung des Lochs bezieht.

Wenn eine elektrische Spannung an ein Stück Halbleitermaterial vom P-Typ angelegt wird, fließen Elektronen vom negativen Anschluss der Spannungsquelle in das Material und füllen die Löcher., Die positive Ladung der externen Spannungsquelle zieht Elektronen aus den äußeren Bahnen und erzeugt neue Löcher. Somit bewegen sich Elektronen von Loch zu Loch. Elektronen fließen immer noch von negativ zu positiv, aber Löcher bewegen sich von positiv zu negativ, wenn sie durch die externe Ladung erzeugt werden.

Ionenfluss

Bei bestimmten Materialtypen, insbesondere Flüssigkeiten und Plasmen, ist der Stromfluss eine Kombination von Elektronen und Ionen.

Abbildung 8 zeigt das vereinfachte Zeichnen einer Spannungszelle., Alle Zellen bestehen aus zwei Elektroden aus verschiedenen Materialien, die in eine Chemikalie namens Elektrolyt eingetaucht sind. Die chemische Reaktion, die stattfindet, trennt die erzeugten Ladungen. Elektronen stapeln sich auf einer Elektrode, während sie positive Ionen abgeben, die den negativen Anschluss bilden, während Elektronen von der anderen Elektrode gezogen werden, die den positiven Anschluss erzeugen.

ABBILDUNG 8. Stromfluss in einer chemischen Zelle.,

Wenn Sie eine externe Last an diese Batterie anschließen, fließen Elektronen von der negativen Platte durch die Last zur positiven Elektrode. Innerhalb der Zelle fließen Elektronen tatsächlich von positiv zu negativ, während positive Ionen von negativ zu positiv wechseln.

Leben in Verleugnung

Warum verewigen wir also weiterhin den Mythos des konventionellen Stromflusses (CCF), wenn wir seit einem Jahrhundert wissen, dass Strom in den meisten elektrischen und elektronischen Schaltungen Elektronenfluss (EF) ist? Ich stelle diese Frage seit Jahren meinen Kollegen und anderen in Industrie und Wissenschaft., Trotz der Tatsache, dass der Elektronenfluss die Realität ist, bestehen alle Ingenieurschulen darauf, CCF zu unterrichten. Wenn Sie in den Streitkräften waren oder als Techniker durch die Reihen kamen, sind Sie wahrscheinlich gelernt und bevorzugen Elektronenfluss.

Die Art und Weise, wie Sie es in der Schule gelernt haben, ist das, was Sie beim Entwerfen, Analysieren, Beheben oder Unterrichten in der realen Welt verwenden.

ist Es Wirklich wichtig?

Wie Sie vielleicht wissen, spielt es keine Rolle, welche Stromrichtung Sie als Schaltungsanalyse und Design verwenden. Tatsächlich betrifft dieses Problem nur DC, das nur in eine Richtung fließt., Im Wechselstrom fließen Elektronen in beide Richtungen und bewegen sich bei der Betriebsfrequenz hin und her. Aber wenn es wirklich keine Rolle spielt, in welche Richtung wir gehen, warum wenden wir uns dann nicht der Wahrheit zu und beenden diesen Unsinn ein für allemal?

Abschließend

Wenn Sie jemals ein lebhaftes Gespräch beginnen möchten, vielleicht sogar ein Argument, versuchen Sie, dieses Thema in einer Gruppe technischer Personen aufzugreifen. Sie werden vielleicht überrascht sein von der Intensität der Gefühle und den heiligenvollen Einstellungen auf beiden Seiten., Ich habe dies zahlreiche Male getan und bin immer noch erstaunt über die emotionale Reaktion, die dieses Problem hervorruft.

Meine Schlussfolgerung ist, dass das Konzept von CCF niemals aufgegeben wird. Es ist etwas damit verwandt, uns alle zu zwingen, zum metrischen Messsystem mit Metern und Celsius zu wechseln, anstatt zu Fuß und Fahrenheit, mit denen wir vertrauter und komfortabler sind. CCF wird von nun an weiter unterrichtet. Ich bin gekommen, um diese ganze Sache als eine der seltsamsten Macken der Elektronik zu akzeptieren., NV

HISTORISCHE NOTIZ

Frühe Forscher der Elektrizität entdeckten zuerst das Konzept von Spannung und Polarität, dann definierte sie später Strom als die Bewegung von Ladungen. Der Begriff Spannung bedeutet die Energie, die Strom fließen lässt. Anfangs wurden Spannungen durch statische Mittel wie Reibung oder durch Aufhellung erzeugt. Später wurden chemische Zellen und Batterien verwendet, um eine konstante Ladung oder Spannung zu erzeugen. Als nächstes wurden mechanische Generatoren entwickelt.

Ladungen beziehen sich auf eine Art physikalisches Objekt, das sich bewegt, wenn es der Kraft der Spannung ausgesetzt ist., Jahrhundert wussten diejenigen, die an elektrischen Projekten arbeiteten, natürlich nicht wirklich, was die Ladungen waren. Nach allem, was sie wussten, könnten die Ladungen Mikro-Miniatur-lila Würfel in einem Draht oder einem anderen Leiter gewesen sein. Was sie wussten, war, dass die Spannung dazu führte, dass sich die Ladungen bewegten. Zur Analyse und Diskussion nahmen sie willkürlich an, dass die Ladungen positiv waren und von positiv nach negativ flossen. Dies ist ein wichtiger Punkt. Sie kannten die Richtung des Stromflusses nicht wirklich, also theoretisierten sie, was geschah. Und wie sich herausstellte, haben sie falsch geraten., Es ist nichts Falsches daran, falsch zu sein, da Wissenschaftler oft eine Sache vermuten und dann später feststellen, dass die Wahrheit etwas anderes ist. Der große Fehler ist, dass die falsche Hypothese beibehalten und als Wahrheit gelehrt wurde.Jahrhundert wurde schließlich festgestellt, dass die diskutierten Ladungen wirklich Elektronen waren und der Strom wirklich Elektronen waren, die vom negativen Anschluss einer Spannungsquelle durch den Stromkreis zur positiven Seite der Spannungsquelle strömten. Der britische Physiker Joseph J. Thomson machte diese Entdeckung in1897., Die Wahrheit wurde endlich bewiesen und offenbart.

Der Fall bei herkömmlichem Stromfluss.

1. Es ist traditionell.
2. Die meisten Ingenieure und einige Techniker haben es auf diese Weise gelernt.
3. Es ist eine Menge Mühe, Dinge wie technische Lehrbücher und schematische Symbole zu ändern (die Pfeile in Dioden und Transistoren zeigen in Richtung CCF).
4. die Menschliche Natur verabscheut ändern.
5. CCF ist de facto zum Standard geworden.

Der Fall für Elektronenfluss.

1. Es ist die Wahrheit.,
2. Die Bedienung elektronischer Geräte lässt sich mit Hilfe des Elektronenflusses leichter erklären und erlernen.
3. Warum nicht standardisieren, wie es wirklich ist?