in welke richting stroomt de stroom echt?

Als u verschillende elektronische ingenieurs, technici, wetenschappers of professoren vraagt welke stroom in een elektrisch circuit stroomt, zullen sommigen u vertellen dat het van de negatieve terminal van een voeding door een belasting naar de positieve terminal van de voeding stroomt. Anderen zullen je precies het tegenovergestelde vertellen, dat de stroom eigenlijk van de plus kant van de spanningsbron naar de min stroomt.

Wie heeft gelijk?, Hoe kunnen zoveel technische professionals in de war raken over iets zo basic als de huidige stroom? Weten we wel welke kant de stroom op gaat? En, in feite, maakt het eigenlijk uit welke richting stroomstromen? Laten we dit allemaal ophelderen.

Waarom is dit zo belangrijk?

het kernprincipe van elke elektronische toepassing is de regeling van de stroomstroom. Denk erover na. Is niet alles wat we doen in elektronica ontworpen om de stroomstroom te controleren op een of andere manier om een nuttig resultaat te produceren, zoals TV, computers, of mobiele telefoons? Kijk eens naar figuur 1., Dit zeer eenvoudige model vertegenwoordigt alle elektronische toepassingen. We produceren ingangen die een soort elektronisch signaal zijn, verwerken ze op een of andere manier, en genereren dan passende uitgangssignalen. Het ingangssignaal kan bijvoorbeeld afkomstig zijn van een microfoon. Het wordt verwerkt door een versterker om het vermogen te verhogen. De uitgang drijft een luidspreker aan.

figuur 1. Vereenvoudigd model van alle elektronische schakelingen en apparatuur.

overweeg nu opnieuw wat er in dat vakje “proces” in Figuur 1 staat., In zijn eenvoudigste vorm kan het slechts één elektronisch onderdeel zijn, zoals een weerstand. Maar het kan ook een schakeling zijn zoals een instrumentversterker of miljoenen MOSFETs zoals in een Pentium microprocessor.

kijk nu naar figuur 2. Hier is een andere manier om u te helpen visualiseren wat er gebeurt in alle elektrische of elektronische circuits. Een spanningsbron initieert stroom in een belasting. De spanningsbron kan een batterij, signaalgenerator, voeding, radiosignaal, of een signaal van een transducer zoals een microfoon of fotocel zijn. De belasting is het apparaat dat een aantal nuttige eindresultaat produceert., Het kan een gloeilamp, verwarmingselement, motor, solenoïde, of gewoon een ander elektronisch circuit. Let op het besturingselement. Dit is het elektronische onderdeel of circuit dat de stroom in de belasting regelt.

figuur 2. Vereenvoudigde uitleg van hoe alle elektronische schakelingen werken.

De regelcircuits kunnen complexer zijn, zoals een op-amp of een batch logische poorten of zelfs een complete verzameling van verschillende elektronische circuits., De componenten en circuits regelen de stroom die door de eerste ingang wordt geproduceerd op verschillende manieren, soms in veel verschillende opeenvolgende en parallelle stappen, totdat een geschikte uitgang wordt gegenereerd. Het komt erop neer dat het genereren en beheersen van stroom is waar elektronica om draait.

conventionele stroom Versus elektronenstroom

wetenschappers, ingenieurs, hoogleraren en anderen weten al meer dan 100 jaar dat stroom echt elektronen beweegt. Toch zijn ze het oorspronkelijke positief-naar-negatief stroommodel blijven gebruiken., Dit is bekend geworden als conventionele stroom (CCF). Vandaag de dag wordt dit concept nog steeds veel gebruikt en bijna universeel nog steeds onderwezen in wetenschap en engineering programma ‘ s.het was pas in het midden van de 20e eeuw dat electron flow (EF) algemeen werd onderwezen. Dit kwam tot stand als gevolg van de massale training van elektronische technici tijdens de Tweede Wereldoorlog. Het Leger en de Marine besloten dat electron flow geschikter was dan conventionele stroom, dus ontwikkelden ze al hun klassen en trainingsmaterialen met behulp van electron flow., Na de oorlog, elektronen stroom gevangen op en werd de primaire manier van het onderwijzen van technici in de gemeenschap hogescholen, technische instituten, en beroepsonderwijs Scholen. Waarom de wetenschappelijke, technische en academische gemeenschappen weigerden om te veranderen in elektronen stroom is niet bekend. Het is waarschijnlijk dat het gevoel was dat elektrische theorie altijd werd onderwezen met behulp van de conventionele stroom model en er was geen specifieke behoefte, verlangen, of reden om te veranderen. Verandering is moeilijk en traditie sterft hard.

Wat Is een elektron?,

een elektron is een subatomair deeltje, een van verschillende delen van een atoom. Atomen zijn de kleine deeltjes waaruit alle materie wordt gemaakt. Alles wat we weten, voelen, zien, aanraken en ruiken bestaat uit atomen. Atomen zijn het kleinste deeltje van materialen die we elementen noemen. Elementen zijn de basis bouwstenen van de natuur. Typische elementen zijn zuurstof, waterstof, koolstof, koper, zilver, goud en silicium. Als je bijvoorbeeld een stuk koper neemt en het keer op keer deelt tot je het kleinst mogelijke stuk krijgt dat nog herkenbaar is als koper, dan heb je één koperatoom., Alles wat geen basiselement is, bestaat uit twee of meer elementen gecombineerd om wat we verbindingen noemen te vormen. Water is een verbinding van twee waterstofatomen en een zuurstofatoom-je weet wel, H2o.zout is een verbinding van natrium en chloor (HCl). Het kleinste herkenbare deeltje van een verbinding wordt een molecuul genoemd.

de atomen kunnen verder worden verdeeld in kleinere delen. Omdat niemand ooit echt een atoom heeft gezien, hebben natuurkundigen eeuwenlang getheoretiseerd over hoe een atoom eruit ziet en waaruit het is gemaakt., Een populaire theorie zegt dat een atoom bestaat uit een kern van het centrum bestaat uit kleine deeltjes genaamd protonen en neutronen. De protonen hebben een positieve elektrische lading. Neutronen zijn natuurlijk neutraal. Cirkelen rond de kern zijn ringen of schelpen van elektronen. De elektronen hebben een negatieve elektrische lading. Er zijn net zoveel elektronen als er protonen zijn, dus het atoom is elektrisch of neutraal in balans. Het aantal protonen in een atoom is het atoomnummer en dat getal bepaalt de kenmerken van het element.

Figuur 3 toont een atoom koper., Er zijn 29 protonen en 29 elektronen. Let op de buitenste schil van het atoom. Dit wordt genoemd de valentieschelp aangezien het de elektronen bevat die met andere elementen combineren en reageren om chemische banden in samenstellingen te vormen.

figuur 3. Het koperatoom.

en het is het elektron of de elektronen in de buitenste valentieschil die vrijkomen om stroom te produceren in elektrische en elektronische componenten en circuits.,

hoe Stroomstromen

stroomstroom in de meeste elektrische en elektronische circuits elektronenstroom is. Er zijn echter enkele speciale gevallen waarin andere deeltjes betrokken zijn. Stel dat een koperdraad is aangesloten tussen de positieve en negatieve aansluitingen van een zaklampcel zoals in Figuur 4. Een overmaat aan elektronen accumuleert op de negatieve terminal van de cel terwijl de positieve terminal een tekort aan elektronen heeft. Deze voorwaarde wordt veroorzaakt door de chemische actie in de cel.

figuur 4., Elektronenstroom in een koperdraad.

wanneer de koperdraad is aangesloten op de cel, gebeuren er twee dingen. Ten eerste trekt de positieve terminal de valentie-elektronen weg van koperatomen in de draad. Wanneer een atoom een of meer elektronen verliest, wordt het een positief ion omdat het nu meer protonen heeft dan elektronen. Positief zijn, trekken de ionen andere negatieve elektronen van naburige atomen aan waardoor een kettingreactie van stroom ontstaat.

tegelijkertijd stoot de negatieve terminal van de cel de valentie-elektronen af van de nabijgelegen atomen in de koperdraad., Deze bevrijde elektronen worden aangetrokken tot de positieve ionen die door de positieve terminal van de cel worden gecreeerd. Het nettoresultaat is een massale beweging van elektronen van de negatieve terminal van de batterij naar de positieve terminal. Dit is hoe de stroom stroomt in draden en kabels en de meeste elektronische componenten.

niet alle stroom is door elektronenbeweging. In sommige gevallen is de stroom eigenlijk de beweging van andere huidige vervoerders. Bijvoorbeeld, gaten zijn uniek voor de stroom in bepaalde soorten halfgeleidermaterialen., Ionenstroom is de methode van stroom in plasma en elektrochemische reacties in batterijen.

stroom in halfgeleiders

een halfgeleider is een speciaal type materiaal waarvan de weerstand of geleidbaarheid ergens tussen die van goede geleiders, zoals koper en aluminium, en isolatoren zoals glas, keramiek of kunststof valt. Halfgeleiders zijn uniek in dat ze kunnen worden gemaakt om elke gewenste mate van geleiding hebben. Halfgeleiders zijn natuurlijk de materialen waaruit diodes, transistors en geïntegreerde schakelingen worden gemaakt.,

het meest voorkomende halfgeleidermateriaal is het element silicium (Si). Germanium (Ge) is een ander halfgeleiderelement. Er zijn ook halfgeleiderverbindingen zoals galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (InP) en silicium-germanium (SiGe). Silicium is, net als andere halfgeleidermaterialen, uniek omdat het vier valentie-elektronen heeft. Deze eigenschap zorgt ervoor dat de siliciumatomen zodanig aan elkaar binden dat ze hun valentie-elektronen delen. Het resultaat is een unieke kristalrooster structuur zoals weergegeven in Figuur 5. Alleen de valentie-elektronen worden getoond., Merk op hoe de atomen hun valentie-elektronen delen met aangrenzende atomen. Het resultaat hiervan is dat elk atoom denkt dat het acht elektronen in zijn buitenste baan heeft. Dit zorgt ervoor dat het materiaal extreem stabiel is.

figuur 5. Zuiver silicium bestaat uit atomen die covalente bindingen met aangrenzende atomen vormen tot een kristalrooster structuur.

De siliciumatomen vormen een zogenaamde kristalrooster structuur. Alle valentie-elektronen zijn volledig bezet omdat ze onder de atomen worden gedeeld., Wat dit betekent is dat in een zuivere Silicium kristal rooster structuur, geen elektronen beschikbaar zijn voor elektronenstroom omdat ze allemaal bezet zijn in hun co-Valente bindingen. Als gevolg daarvan zijn halfgeleiders zoals silicium in een zuivere staat in wezen isolatoren. Natuurlijk, als er voldoende warmte wordt toegepast op het silicium of een hoge externe spanning wordt toegepast, kunnen sommige elektronen vrij worden getrokken om een kleine hoeveelheid stroom te veroorzaken.

om siliconengeleid te maken, voegen we er andere chemicaliën aan toe. Dit proces heet doping., Door het silicium te dopen met chemicaliën die drie of vijf valentie-elektronen hebben, kunnen we silicium maken waarin de stroom gemakkelijk stroomt. Figuur 6 laat zien wat er gebeurt als we silicium dopen met arseen (As). Arseen heeft vijf valentie-elektronen. Vier van de elektronen combineren met de elektronen in de aangrenzende siliciumatomen tot co-Valente bindingen zoals voorheen. Er is echter nog een extra elektron over. Dit extra elektron is beschikbaar voor stroom.

figuur 6., N-type halfgeleidermateriaal gebruikt elektronen Voor stroom.

silicium gedoteerd met chemicaliën die een extra elektron hebben, wordt een N-type halfgeleider genoemd. De ” N ” betekent negatief, wat verwijst naar het extra negatieve elektron. Wanneer een externe spanning wordt toegepast op een stuk n-type halfgeleidermateriaal, stroom gemakkelijk stroomt als de ongebonden elektronen worden aangetrokken en getrokken door het silicium door de externe spanning. Als het silicium zwaar gedoteerd is met arseen, zijn er veel vrije elektronen beschikbaar en zal er een grote hoeveelheid stroom stromen., Dit is hetzelfde als zeggen dat het materiaal een zeer lage weerstand heeft. Als er slechts een paar arseenatomen worden toegevoegd, zijn er minder elektronen beschikbaar voor de stroomstroom, zodat het stroomniveau bij een externe spanning minder zal zijn. Dergelijk materiaal heeft een veel hogere weerstand.

zoals u kunt zien, is de stroom in n-type halfgeleidermateriaal nog steeds door elektronen. We kunnen het silicium echter ook dopeeren met een materiaal dat slechts drie valentie-elektronen heeft. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 7 waar het silicium gedoteerd is met boor (B) atomen.,

figuur 7. P-type halfgeleidermateriaal waarbij gaten de huidige dragers zijn.

De drie valentie-elektronen in het booratoom vormen co-Valente bindingen met aangrenzende siliciumatomen. Een van de siliciumatomen mist echter een elektron. Dit ontbrekende valentie elektron wordt aangeduid als een gat. Een gat is daarom geen echt deeltje, maar gewoon een leegstand in de valentieschil van de kristalrooster structuur die werkt als een huidige drager. Deze vacature of hole heeft een positieve lading., Als een elektron in de buurt van het gat passeert, zal het worden aangetrokken en het zal het gat vullen, het voltooien van de co-Valente binding.

stroom in dit type halfgeleidermateriaal bestaat uit gaten. Dit type halfgeleidermateriaal wordt aangeduid als P-type materiaal. P betekent positief, wat verwijst naar de lading van het gat.

wanneer een elektrische spanning wordt toegepast op een stuk halfgeleidermateriaal van het P-type, stromen elektronen in het materiaal vanuit het negatieve uiteinde van de spanningsbron en vullen de gaten., De positieve lading van de externe spanningsbron trekt elektronen uit de externe banen, waardoor nieuwe gaten ontstaan. Dus, elektronen bewegen van gat-naar-Gat. Elektronen stromen nog steeds van negatief-naar-positief, maar gaten bewegen van positief-naar-negatief als ze worden gecreëerd door de externe lading.

ionenstroom

in bepaalde soorten materialen, met name vloeistoffen en plasma ‘ s, is de stroomstroom een combinatie van zowel elektronen als ionen.

Figuur 8 toont de vereenvoudigde tekening van een spanningscel., Alle cellen bestaan uit twee elektroden van verschillende materialen ondergedompeld in een chemische stof genaamd elektrolyt. De chemische reactie die plaatsvindt scheidt de ladingen die worden gecreëerd. Elektronen stapelen zich op één elektrode op omdat het positieve ionen opgeeft die de negatieve terminal creëren terwijl elektronen uit de andere elektrode worden getrokken die de positieve terminal creëren.

figuur 8. Stroom in een chemische cel.,

wanneer u een externe belasting op deze batterij aansluit, stromen elektronen van de negatieve plaat, door de belasting, naar de positieve elektrode. In de cel stromen elektronen van positief naar negatief, terwijl positieve ionen van negatief naar positief bewegen.

leven in ontkenning

dus waarom blijven we de mythe van conventionele stroom (CCF) bestendigen als we al een eeuw weten dat stroom in de meeste elektrische en elektronische circuits elektronenstroom (EF) is? Ik stel die vraag al jaren aan mijn collega ‘ s en anderen in de industrie en de academische wereld., Ondanks het feit dat elektronenstroom de realiteit is, dringen alle technische scholen aan op het onderwijzen van CCF. Als je in het leger of kwam door de rangen als technicus, is de kans groot dat je geleerd en de voorkeur electron flow.

de manier waarop je het geleerd hebt op school is wat je meestal gebruikt wanneer je ontwerpt, analyseert, problemen oplost of les geeft in de echte wereld.

maakt het echt uit?

zoals u wellicht weet, maakt het niet echt uit welke huidige richting u gebruikt als circuit analyse en ontwerp werkt hoe dan ook. In feite, dit probleem heeft alleen invloed op DC die stroomt in slechts één richting., In wisselstroom stromen elektronen in beide richtingen, heen en weer bewegen met de frequentie van de werking. Maar als het echt niet uitmaakt welke richting we aannemen, waarom laten we dan niet de waarheid achter en stoppen we deze onzin voor eens en altijd?

concluderend

Als u ooit een levendig gesprek wilt beginnen, misschien zelfs een argument, probeer dan dit onderwerp in een groep technische mensen naar voren te brengen. Je zult misschien verbaasd zijn over de intensiteit van de gevoelens en de schijnheilige houdingen aan beide kanten., Ik heb dit vele malen gedaan en ik ben nog steeds verbaasd over de emotionele reactie dit probleem genereert.

mijn conclusie is dat het concept van CCF nooit zal worden opgegeven. Het is enigszins verwant aan ons allen te dwingen om over te schakelen naar het metrische systeem van meting met behulp van meters en Celsius in plaats van voeten en Fahrenheit waarmee we meer vertrouwd en comfortabel. CCF zal vanaf nu verder onderwezen worden. Ik ben dit allemaal gaan accepteren als een van de vreemde eigenaardigheden van elektronica., NV

historische noot

vroege onderzoekers van elektriciteit ontdekten eerst het concept van spanning en polariteit, waarna ze later stroom definieerden als de beweging van ladingen. De term spanning betekent de energie die de stroom doet stromen. Aanvankelijk werden spanningen gecreëerd door statische middelen zoals wrijving of door bliksem. Later werden chemische cellen en batterijen gebruikt om een constante lading of spanning te creëren. Vervolgens werden mechanische generatoren ontwikkeld.

ladingen verwijzen naar een soort fysiek object dat beweegt wanneer het wordt blootgesteld aan de kracht van de spanning., Natuurlijk, in de 18e eeuw, wisten degenen die aan elektrische projecten werkten niet echt wat de ladingen waren. Voor zover ze wisten, konden de ladingen micro miniatuur paarse blokjes in een draad of andere geleider zijn geweest. Wat ze wel wisten was dat de spanning de ladingen deed bewegen. Met het oog op analyse en discussie gingen zij er willekeurig van uit dat de kosten positief waren en stroomden van positief naar negatief. Dit is een belangrijk punt. Ze wisten niet echt de richting van de stroom, dus ze theoretiseerden wat er gebeurde. En, zo bleek, ze gokten verkeerd., Er is niets mis met het verkeerd zijn als wetenschappers vaak hypothesen een ding, dan later ontdekken dat de waarheid is iets anders. De grote fout is dat de onjuiste hypothese is behouden en onderwezen als waarheid.aan het eind van de 19e eeuw werd uiteindelijk vastgesteld dat de ladingen die besproken werden echt elektronen waren en dat de stroom echt elektronen waren die van de negatieve terminal van een spanningsbron door het circuit naar de positieve kant van de spanningsbron stroomden. De Britse natuurkundige Joseph J. Thomson deed deze ontdekking in 1897., De waarheid werd eindelijk bewezen en geopenbaard.

het geval voor conventionele stroom.

1. Het is traditioneel.
2. de meeste ingenieurs en sommige techs hebben het op deze manier geleerd.
3. het is veel moeite om dingen te veranderen zoals technische leerboeken en schematische symbolen (de pijlen in diodes en transistors wijzen in de richting van CCF).
4. de menselijke natuur verafschuwt verandering.
5. CCF is de facto standaard geworden.

het geval voor elektronenstroom.

1. Het is de waarheid.,
2. de werking van elektronische apparaten is gemakkelijker uit te leggen en te leren met behulp van elektronenstroom.
3. waarom niet standaardiseren op de manier waarop het werkelijk is?