In che modo la corrente scorre davvero?

Se chiedi a diversi ingegneri elettronici, tecnici, scienziati o professori in che modo scorre la corrente in un circuito elettrico, alcuni ti diranno che scorre dal terminale negativo di un’alimentazione attraverso un carico al terminale positivo dell’alimentazione. Altri ti diranno esattamente il contrario, che la corrente scorre effettivamente dal lato positivo della sorgente di tensione al meno.

Chi ha ragione?, Come possono così tanti professionisti tecnici essere confusi su qualcosa di così semplice come il flusso di corrente? Sappiamo almeno da che parte scorre la corrente? E, in effetti, importa in quale direzione scorre la corrente? Chiariamo tutto.

Perché è così importante?

Il principio fondamentale di ogni applicazione elettronica è il controllo del flusso di corrente. Pensaci. Non è tutto ciò che facciamo in elettronica progettato per controllare il flusso di corrente in qualche modo per produrre un risultato utile come TV, computer o telefoni cellulari? Date un’occhiata alla Figura 1., Questo modello molto semplice rappresenta tutte le applicazioni elettroniche. Produciamo ingressi che sono un certo tipo di segnale elettronico, li elaboriamo in qualche modo, quindi generiamo segnali di uscita appropriati. Ad esempio, il segnale di ingresso può provenire da un microfono. Viene elaborato da un amplificatore per aumentare il suo livello di potenza. L’uscita aziona un altoparlante.

FIGURA 1. Modello semplificato di tutti i circuiti e le apparecchiature elettroniche.

Ora, considerare di nuovo ciò che è in quella casella denominata “processo” in Figura 1., Nella sua forma più semplice, potrebbe essere solo un componente elettronico come un resistore. Ma potrebbe anche essere un circuito come un amplificatore strumento o milioni di MOSFET come in un microprocessore Pentium.

Ora guarda la Figura 2. Ecco un altro modo per aiutarti a visualizzare ciò che accade in tutti i circuiti elettrici o elettronici. Una sorgente di tensione avvia il flusso di corrente in un carico. La sorgente di tensione può essere una batteria, un generatore di segnale, un alimentatore, un segnale radio o un segnale proveniente da un trasduttore come un microfono o una fotocellula. Il carico è il dispositivo che produce qualche risultato finale utile., Potrebbe essere una lampadina, un elemento riscaldante, un motore, un solenoide o solo un altro circuito elettronico. Ora, nota l’elemento di controllo. Questo è il componente elettronico o il circuito che controlla la corrente nel carico.

FIGURA 2. Spiegazione semplificata di come funzionano tutti i circuiti elettronici.

I circuiti di controllo possono essere più complessi come un op-amp o un lotto di porte logiche o anche una collezione completa di diversi circuiti elettronici., I componenti e i circuiti controllano la corrente prodotta dall’ingresso iniziale in vari modi, a volte in molti diversi passaggi sequenziali e paralleli, fino a generare un’uscita appropriata. La linea di fondo qui è che generare e controllare la corrente è ciò che l’elettronica è tutto.

Corrente convenzionale vs flusso di elettroni

Scienziati, ingegneri, professori universitari, e altri hanno conosciuto per oltre 100 anni che la corrente è davvero elettroni in movimento. Eppure hanno continuato a utilizzare il modello originale di flusso di corrente positivo-negativo., Questo è diventato noto come flusso di corrente convenzionale (CCF). Oggi, questo concetto è ancora ampiamente utilizzato e quasi universalmente ancora insegnato nei programmi di scienza e ingegneria.

Non è stato fino alla metà del 20 ° secolo che il flusso di elettroni (EF) è stato ampiamente insegnato. L’esercito e la Marina decisero che il flusso di elettroni era più appropriato del flusso di corrente convenzionale, così svilupparono tutte le loro classi e materiali di addestramento usando il flusso di elettroni., Dopo la guerra, il flusso di elettroni ha preso piede ed è diventato il modo principale di insegnare ai tecnici nelle community college, negli istituti tecnici e nelle scuole professionali. Perché le comunità scientifiche, ingegneristiche e accademiche hanno rifiutato di passare al flusso di elettroni non è noto. È probabile che la sensazione fosse che la teoria elettrica fosse sempre insegnata usando il modello di flusso di corrente convenzionale e non c’era bisogno, desiderio o motivo particolare di cambiare. Il cambiamento è difficile e la tradizione muore duramente.

Che cos’è un elettrone?,

Un elettrone è una particella subatomica, una delle diverse parti di un atomo. Gli atomi sono le minuscole particelle di cui è fatta tutta la materia. Tutto ciò che sappiamo, sentiamo, vediamo, tocchiamo e odoriamo è composto da atomi. Gli atomi sono la più piccola particella di materiali che chiamiamo elementi. Gli elementi sono i mattoni fondamentali della natura. Gli elementi tipici sono ossigeno, idrogeno, carbonio, rame, argento, oro e silicio. Se prendi un pezzo di rame, ad esempio, e lo dividi ancora e ancora fino a ottenere il pezzo più piccolo possibile che è ancora riconoscibile come rame, allora hai un atomo di rame., Tutto ciò che non è un elemento di base è costituito da due o più elementi combinati per formare ciò che chiamiamo composti. L’acqua è un composto di due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno — sai, H2O. Il sale è un composto di sodio e cloro (HCl). La più piccola particella riconoscibile di un composto è chiamata molecola.

Gli atomi possono essere ulteriormente divisi in parti più piccole. Dal momento che nessuno ha mai visto davvero un atomo, i fisici hanno teorizzato per secoli su come appare un atomo e di cui è fatto., Una teoria popolare dice che un atomo è costituito da un nucleo centrale costituito da minuscole particelle chiamate protoni e neutroni. I protoni hanno una carica elettrica positiva. I neutroni sono, ovviamente, neutrali. Orbitanti attorno al nucleo sono anelli o gusci di elettroni. Gli elettroni hanno una carica elettrica negativa. Ci sono tanti elettroni quanti sono i protoni, quindi l’atomo è bilanciato elettricamente o neutro. Il numero di protoni in un atomo è il suo numero atomico e quel numero stabilisce le caratteristiche dell’elemento.

Figura 3 mostra un atomo di rame., Ci sono 29 protoni e 29 elettroni. Si noti il guscio esterno dell’atomo. Questo è chiamato il guscio di valenza in quanto contiene gli elettroni che si combinano e reagiscono con altri elementi per formare legami chimici nei composti.

FIGURA 3. L’atomo di rame.

Ed è l’elettrone o gli elettroni nel guscio esterno di valenza che vengono liberati per produrre flusso di corrente in componenti e circuiti elettrici ed elettronici.,

Come scorre la corrente

Il flusso di corrente nella maggior parte dei circuiti elettrici ed elettronici è il flusso di elettroni. Tuttavia, ci sono alcuni casi speciali in cui sono coinvolte altre particelle. Supponiamo che un filo di rame sia collegato tra i terminali positivo e negativo di una cella della torcia elettrica come in Figura 4. Un eccesso di elettroni si accumula sul terminale negativo della cellula mentre il terminale positivo ha una carenza di elettroni. Questa condizione è causata dall’azione chimica nella cellula.

FIGURA 4., Flusso di elettroni in un filo di rame.

Quando il filo di rame è collegato alla cella, accadono due cose. Innanzitutto, il terminale positivo allontana gli elettroni di valenza dagli atomi di rame nel filo. Quando un atomo perde uno o più elettroni, diventa uno ion positivo perché ora ha più protoni degli elettroni. Essendo positivi, gli ioni attraggono altri elettroni negativi dagli atomi vicini creando così una reazione a catena del flusso di corrente.

Nello stesso istante, il terminale negativo della cella respinge gli elettroni di valenza dagli atomi vicini nel filo di rame., Questi elettroni liberati sono attratti dagli ioni positivi creati dal terminale positivo della cellula. Il risultato netto è un massiccio movimento di elettroni dal terminale negativo della batteria al terminale positivo. Questo è il modo in cui la corrente scorre in fili e cavi e nella maggior parte dei componenti elettronici.

Non tutto il flusso di corrente è per movimento di elettroni. In alcuni casi, la corrente è in realtà il movimento di altri portatori di corrente. Ad esempio, i fori sono unici per il flusso di corrente in alcuni tipi di materiali semiconduttori., Il flusso di ioni è il metodo del flusso di corrente nei plasmi e nelle reazioni elettrochimiche nelle batterie.

Flusso di corrente nei semiconduttori

Un semiconduttore è un tipo speciale di materiale la cui resistività o conduttività cade da qualche parte tra quella di buoni conduttori, come rame e alluminio, e isolanti come vetro, ceramica o plastica. I semiconduttori sono unici in quanto possono essere fatti per avere qualsiasi grado di conduzione desiderato. Naturalmente, i semiconduttori sono i materiali da cui sono fatti diodi, transistor e circuiti integrati.,

Il materiale semiconduttore più comune è l’elemento silicio (Si). Il germanio (Ge) è un altro elemento semiconduttore. Ci sono anche composti semiconduttori come arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di indio (InP) e silicio-germanio (SiGe). Il silicio, come altri materiali semiconduttori, è unico in quanto ha quattro elettroni di valenza. Questa caratteristica fa sì che gli atomi di silicio si leghino insieme in modo tale da condividere i loro elettroni di valenza. Il risultato è una struttura a reticolo cristallino unica come quella mostrata in Figura 5. Vengono mostrati solo gli elettroni di valenza., Si noti come gli atomi condividono i loro elettroni di valenza con atomi adiacenti. Il risultato di ciò è che ogni atomo pensa di avere otto elettroni nella sua orbita esterna. Ciò fa sì che il materiale sia estremamente stabile.

FIGURA 5. Il silicio puro è costituito da atomi che formano legami covalenti con atomi adiacenti per formare una struttura a reticolo cristallino.

Gli atomi di silicio formano quella che viene chiamata una struttura a reticolo cristallino. Tutti gli elettroni di valenza sono completamente occupati in quanto sono condivisi tra gli atomi., Ciò significa che in una struttura a reticolo cristallino di silicio puro, non sono disponibili elettroni per il flusso di elettroni in quanto sono tutti occupati nei loro legami co-valenti. Di conseguenza, i semiconduttori come il silicio allo stato puro sono essenzialmente isolanti. Naturalmente, se viene applicato calore sufficiente al silicio o viene applicata un’alta tensione esterna, alcuni degli elettroni possono essere tirati liberi per causare una piccola quantità di flusso di corrente.

Per condurre il silicio, aggiungiamo altre sostanze chimiche ad esso. Questo processo è chiamato doping., Drogando il silicio con sostanze chimiche che hanno tre o cinque elettroni di valenza, possiamo creare silicio in cui la corrente scorre facilmente. Figura 6 mostra cosa succede quando droghiamo silicio con arsenico (As). L’arsenico ha cinque elettroni di valenza. Quattro degli elettroni si combinano con gli elettroni negli atomi di silicio adiacenti per formare legami co-valenti come prima. Tuttavia, c’è un elettrone in più rimasto. Questo elettrone extra è disponibile per il flusso di corrente.

FIGURA 6., Il materiale semiconduttore di tipo N utilizza elettroni per il flusso di corrente.

Silicio drogato con sostanze chimiche che hanno un elettrone in più è indicato come un semiconduttore di tipo N. La “N” significa negativo, che si riferisce all’elettrone extra negativo. Quando una tensione esterna viene applicata a un pezzo di materiale semiconduttore di tipo N, la corrente scorre facilmente mentre gli elettroni non legati vengono attratti e tirati attraverso il silicio dalla tensione esterna. Se il silicio è fortemente drogato con arsenico, sono disponibili molti elettroni liberi e scorrerà un’elevata quantità di corrente., Questo è lo stesso che dire che il materiale ha una resistenza molto bassa. Se vengono aggiunti solo pochi atomi di arsenico, sono disponibili meno elettroni per il flusso di corrente, quindi il livello di corrente sarà inferiore con una tensione esterna. Tale materiale ha una resistenza molto più elevata.

Come puoi vedere, il flusso di corrente nel materiale semiconduttore di tipo N è ancora di elettroni. Tuttavia, possiamo anche dopare il silicio con un materiale che ha solo tre elettroni di valenza. Questo è illustrato nella Figura 7 dove il silicio è drogato con atomi di boro (B).,

FIGURA 7. Materiale semiconduttore di tipo P in cui i fori sono i portatori di corrente.

I tre elettroni di valenza nell’atomo di boro formano legami co-valenti con atomi di silicio adiacenti. Tuttavia, uno degli atomi di silicio manca un elettrone. Questo elettrone di valenza mancante è indicato come un buco. Un buco, quindi, non è una particella reale, ma semplicemente un posto vacante nel guscio di valenza della struttura del reticolo cristallino che agisce come un vettore di corrente. Questo posto vacante o buco ha una carica positiva., Se un elettrone passa vicino al foro, sarà attratto e riempirà il foro, completando il legame co-valente.

Il flusso di corrente in questo tipo di materiale semiconduttore avviene tramite fori. Questo tipo di materiale semiconduttore è indicato come materiale di tipo P. P significa positivo, che si riferisce alla carica del foro.

Quando una tensione elettrica viene applicata a un pezzo di materiale semiconduttore di tipo P, gli elettroni fluiscono nel materiale dal terminale negativo della sorgente di tensione e riempiono i fori., La carica positiva della sorgente di tensione esterna tira elettroni dalle orbite esterne, creando nuovi fori. Quindi, gli elettroni si spostano da un buco all’altro. Gli elettroni fluiscono ancora da negativo a positivo, ma i buchi si spostano da positivo a negativo quando vengono creati dalla carica esterna.

Flusso ionico

In alcuni tipi di materiali, in particolare liquidi e plasmi, il flusso di corrente è una combinazione di elettroni e ioni.

La figura 8 mostra il disegno semplificato di una cella di tensione., Tutte le celle sono costituite da due elettrodi di materiali diversi immersi in una sostanza chimica chiamata elettrolita. La reazione chimica che avviene separa le cariche che vengono create. Gli elettroni si accumulano su un elettrodo in quanto rinuncia agli ioni positivi creando il terminale negativo mentre gli elettroni vengono tirati dall’altro elettrodo creando il terminale positivo.

FIGURA 8. Flusso di corrente in una cella chimica.,

Ogni volta che si collega un carico esterno a questa batteria, gli elettroni fluiscono dalla piastra negativa, attraverso il carico, all’elettrodo positivo. All’interno della cellula, gli elettroni fluiscono effettivamente da positivo a negativo mentre gli ioni positivi si spostano da negativo a positivo.

Vivere nella negazione

Quindi perché continuiamo a perpetuare il mito del flusso di corrente convenzionale (CCF) quando sappiamo da un secolo che la corrente nella maggior parte dei circuiti elettrici ed elettronici è il flusso di elettroni (EF)? Ho fatto questa domanda ai miei colleghi e ad altri nell’industria e nel mondo accademico per anni., Nonostante il fatto che il flusso di elettroni sia la realtà, tutte le scuole di ingegneria insistono sull’insegnamento del CCF. Se tu fossi nei servizi armati o si avvicinò attraverso i ranghi come un tecnico, è probabile che hai imparato e favorire il flusso di elettroni.

Il modo in cui l’hai imparato a scuola è ciò che tendi ad usare quando progetti, analizzi, risolvi i problemi o insegni nel mondo reale.

Ha davvero importanza?

Come forse saprai, non importa quale direzione corrente usi come analisi e progettazione del circuito funziona in entrambi i casi. In realtà, questo problema riguarda solo DC che scorre in una sola direzione., In corrente alternata, gli elettroni fluiscono in entrambe le direzioni, spostandosi avanti e indietro alla frequenza di funzionamento. Ma se davvero non importa quale direzione assumiamo, allora perché non ci atteniamo alla verità e mettiamo fine a questa assurdità una volta per tutte?

In conclusione

Se vuoi iniziare una conversazione vivace, forse anche una discussione, prova a sollevare questo argomento in un gruppo di persone tecniche. Potresti essere sorpreso dall’intensità dei sentimenti e dagli atteggiamenti ipocriti da entrambe le parti., L’ho fatto numerose volte e sono ancora stupito dalla risposta emotiva che questo problema genera.

La mia conclusione è che il concetto di CCF non sarà mai abbandonato. È un po ‘ simile a costringerci tutti a passare al sistema metrico di misurazione usando metri e Celsius piuttosto che piedi e Fahrenheit con cui siamo più familiari e confortevoli. La CCF continuerà ad essere insegnata d’ora in poi. Sono venuto ad accettare tutto questo come una delle stranezze più strane dell’elettronica., NV

NOTA STORICA

I primi ricercatori di elettricità hanno scoperto per la prima volta il concetto di tensione e polarità, quindi in seguito hanno definito la corrente come il movimento delle cariche. Il termine tensione indica l’energia che rende il flusso di corrente. Inizialmente, le tensioni sono state create con mezzi statici come l’attrito o l’alleggerimento. Successivamente, le celle e le batterie chimiche sono state utilizzate per creare una carica o una tensione costante. I generatori meccanici sono stati sviluppati successivamente.

Le cariche si riferiscono a qualche tipo di oggetto fisico che si muove quando è sottoposto alla forza della tensione., Naturalmente, nel 18 ° secolo, quelli che lavoravano a progetti elettrici non sapevano davvero quali fossero le accuse. Per tutto quello che sapevano, le cariche avrebbero potuto essere micro cubi viola in miniatura all’interno di un filo o altro conduttore. Quello che sapevano era che la tensione causava lo spostamento delle cariche. Ai fini dell’analisi e della discussione, hanno arbitrariamente assunto che le accuse erano positive e scorrevano da positivo a negativo. Questo è un punto chiave. Non conoscevano veramente la direzione del flusso di corrente, quindi teorizzavano cosa stava succedendo. E, come si è scoperto, hanno indovinato male., Non c’è niente di sbagliato nell’essere sbagliato poiché gli scienziati ipotizzano spesso una cosa, poi scoprono che la verità è qualcos’altro. Il grande errore è che l’ipotesi errata è stata mantenuta e insegnata come verità.

Alla fine del 19 ° secolo, è stato finalmente stabilito che le cariche in discussione erano davvero elettroni e la corrente era davvero elettroni che fluivano dal terminale negativo di una sorgente di tensione attraverso il circuito al lato positivo della sorgente di tensione. Il fisico britannico Joseph J. Thomson ha fatto questa scoperta a1897., La verità fu finalmente provata e rivelata.

Il caso per il flusso di corrente convenzionale.

1. È tradizionale.
2. La maggior parte degli ingegneri e alcuni tecnici hanno imparato in questo modo.
3. È un sacco di problemi cambiare cose come libri di testo di ingegneria e simboli schematici (le frecce in diodi e transistor puntano nella direzione di CCF).
4. La natura umana aborrisce il cambiamento.
5. CCF è diventato uno standard de facto.

Il caso del flusso di elettroni.

1. È la verità.,
2. Il funzionamento dei dispositivi elettronici è più facile da spiegare e imparare usando il flusso di elettroni.
3. Perché non standardizzare il modo in cui è veramente?