Jeśli zapytasz kilku inżynierów elektronicznych, techników, naukowców lub profesorów, w jaki sposób przepływa prąd w obwodzie elektrycznym, niektórzy powiedzą ci, że przepływa on z ujemnego zacisku zasilania przez obciążenie do dodatniego zacisku zasilania. Inni powiedzą dokładnie odwrotnie, że prąd rzeczywiście płynie od strony plusa źródła napięcia do minus.
kto ma rację?, Jak wielu specjalistów technicznych może być zdezorientowanych czymś tak podstawowym jak przepływ prądu? Czy w ogóle wiemy, w którą stronę płynie prąd? Czy rzeczywiście ma znaczenie, w którym kierunku płynie prąd? Wyjaśnijmy to wszystko.
dlaczego to takie ważne?
podstawową zasadą każdej aplikacji elektronicznej jest kontrola przepływu prądu. Pomyśl o tym. Czy wszystko, co robimy w elektronice, nie jest zaprojektowane do kontrolowania przepływu prądu w jakiś sposób, aby uzyskać użyteczne rezultaty, takie jak telewizor, komputery lub telefony komórkowe? Spójrz na rysunek 1., Ten bardzo prosty model reprezentuje wszystkie aplikacje elektroniczne. Produkujemy wejścia, które są pewnego rodzaju sygnałem elektronicznym, przetwarzamy je w jakiś sposób, a następnie generujemy odpowiednie sygnały wyjściowe. Na przykład sygnał wejściowy może pochodzić z mikrofonu. Jest przetwarzany przez wzmacniacz w celu zwiększenia jego poziomu mocy. Wyjście napędza głośnik.
rysunek 1. Uproszczony model wszystkich układów elektronicznych i urządzeń.
teraz ponownie zastanów się, co znajduje się w tym polu oznaczonym jako „proces” na rysunku 1., W najprostszej formie może to być tylko jeden element elektroniczny, taki jak rezystor. Ale może to być również układ jak wzmacniacz instrumentalny lub miliony Mosfetów, jak w mikroprocesorze Pentium.
teraz spójrz na Rysunek 2. Oto inny sposób na wizualizację tego, co dzieje się we wszystkich obwodach elektrycznych lub elektronicznych. Źródło napięcia inicjuje przepływ prądu w obciążeniu. Źródłem napięcia może być bateria, generator sygnału, zasilacz, sygnał radiowy lub sygnał z przetwornika, takiego jak mikrofon lub fotokomórka. Obciążenie jest urządzeniem, które daje jakiś użyteczny efekt końcowy., Może to być żarówka, element grzejny, silnik, elektromagnes lub po prostu inny obwód elektroniczny. Zwróć uwagę na element sterujący. Jest to element lub obwód elektroniczny, który kontroluje prąd w obciążeniu.
rysunek 2. Uproszczone wyjaśnienie, jak działają wszystkie układy elektroniczne.
obwody sterujące mogą być bardziej złożone, jak wzmacniacz lub partia bramek logicznych, a nawet kompletna kolekcja różnych układów elektronicznych., Komponenty i obwody kontrolują prąd wytwarzany przez początkowe wejście na różne sposoby, czasami w wielu różnych krokach sekwencyjnych i równoległych, aż do wygenerowania odpowiedniego wyjścia. Najważniejsze jest to, że generowanie i kontrolowanie prądu jest tym, o co chodzi w elektronice.
prąd konwencjonalny a przepływ elektronów
naukowcy, inżynierowie, profesorowie szkół wyższych i inni od ponad 100 lat wiedzą, że prąd naprawdę porusza elektrony. Jednak nadal używają oryginalnego modelu przepływu prądu dodatniego do ujemnego., To stało się znane jako konwencjonalny przepływ prądu (CCF). Obecnie pojęcie to jest nadal szeroko stosowane i prawie powszechnie nadal nauczane w programach naukowych i inżynierskich.
dopiero w połowie XX wieku rozpowszechniono naukę przepływu elektronów (EF). Stało się to w wyniku ogromnego szkolenia techników elektronicznych podczas II wojny światowej. Armia i marynarka wojenna zdecydowała, że przepływ elektronów jest bardziej odpowiedni niż konwencjonalny przepływ prądu, więc opracowali wszystkie swoje klasy i materiały szkoleniowe za pomocą przepływu elektronów., Po wojnie, przepływ elektronów złapał się i stał się podstawowym sposobem nauczania techników w kolegiach społecznych, instytutach technicznych i szkołach zawodowych. Dlaczego środowiska naukowe, inżynierskie i akademickie odmówiły przejścia na przepływ elektronów nie jest znane. Jest prawdopodobne, że uczucie było to, że teoria elektryczna była zawsze nauczana przy użyciu konwencjonalnego modelu przepływu prądu i nie było żadnej szczególnej potrzeby, chęci lub powodu do zmiany. Zmiana jest trudna, a tradycja ciężko umiera.
czym jest Elektron?,
elektron jest cząstką subatomową, jedną z kilku różnych części atomu. Atomy są małymi cząsteczkami, z których składa się cała materia. Wszystko, co wiemy, czujemy, widzimy, dotykamy i węszymy, składa się z atomów. Atomy są najmniejszą cząstką materiałów, które nazywamy pierwiastkami. Elementy są podstawowym budulcem natury. Typowe pierwiastki to tlen, wodór, węgiel, miedź, srebro, złoto i krzem. Jeśli weźmiesz na przykład kawałek miedzi i podzielisz go raz po raz, aż otrzymasz najmniejszy możliwy kawałek, który jest nadal rozpoznawalny jako miedź, wtedy masz jeden atom miedzi., Wszystko, co nie jest podstawowym elementem, składa się z dwóch lub więcej elementów połączonych, tworząc to, co nazywamy związkami. Woda jest związkiem dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu-wiesz, H2O. sól jest związkiem sodu i chloru (HCl). Najmniejszą rozpoznawalną cząstkę związku nazywa się cząsteczką.
Atomy można dalej podzielić na mniejsze części. Ponieważ nikt nigdy tak naprawdę nie widział atomu, fizycy od wieków teoretyzowali, jak atom wygląda i jest zbudowany., Jedna z popularnych teorii mówi, że atom składa się z centrum jądra złożonego z drobnych cząstek zwanych protonami i neutronami. Protony mają dodatni ładunek elektryczny. Neutrony są oczywiście neutralne. Wokół jądra krążą pierścienie lub powłoki elektronów. Elektrony mają ujemny ładunek elektryczny. Jest tyle elektronów, ile protonów, więc atom jest zrównoważony elektrycznie lub neutralny. Liczba protonów w atomie jest jego liczbą atomową i ta liczba określa cechy pierwiastka.
Rysunek 3 pokazuje atom miedzi., Jest 29 protonów i 29 elektronów. Zwróć uwagę na zewnętrzną powłokę atomu. Nazywa się to powłoką walencyjną, ponieważ zawiera elektrony, które łączą się i reagują z innymi pierwiastkami, tworząc wiązania chemiczne w związkach.
Rysunek 3. ATOM miedzi.
i jest to elektron lub elektrony w zewnętrznej powłoce walencyjnej, które są uwalniane do wytwarzania przepływu prądu w elementach elektrycznych i elektronicznych i obwodach.,
jak płynie prąd
przepływ prądu w większości obwodów elektrycznych i elektronicznych jest przepływem elektronów. Istnieją jednak pewne szczególne przypadki, w których zaangażowane są inne cząstki. Załóżmy, że przewód miedziany jest połączony między dodatnimi i ujemnymi końcówkami ogniwa latarki, jak na rysunku 4. Nadmiar elektronów gromadzi się na ujemnym terminalu komórki, podczas gdy dodatni terminal ma niedobór elektronów. Stan ten jest spowodowany działaniem chemicznym w komórce.
rysunek 4., Przepływ elektronów w drucie miedzianym.
Kiedy przewód miedziany jest podłączony do komórki, dzieją się dwie rzeczy. Po pierwsze, dodatni terminal odciąga elektrony walencyjne od atomów miedzi w drucie. Gdy atom traci jeden lub więcej elektronów, staje się Jonem dodatnim, ponieważ ma teraz więcej protonów niż elektronów. Będąc dodatni, jony przyciągają inne ujemne elektrony z sąsiednich atomów, tworząc reakcję łańcuchową przepływu prądu.
w tym samym momencie ujemny terminal komórki odpycha elektrony walencyjne z pobliskich atomów w drucie miedzianym., Te uwolnione elektrony są przyciągane do jonów dodatnich utworzonych przez dodatni terminal komórki. Wynik netto to masywny ruch elektronów z ujemnego terminala akumulatora do dodatniego terminala. W ten sposób prąd przepływa w przewodach i kablach oraz w większości elementów elektronicznych.
nie cały przepływ prądu jest ruchem elektronów. W niektórych przypadkach prądem jest w rzeczywistości ruch innych obecnych przewoźników. Na przykład otwory są unikalne dla przepływu prądu w niektórych rodzajach materiałów półprzewodnikowych., Przepływ jonowy jest metodą przepływu prądu w plazmach i reakcjach elektrochemicznych w akumulatorach.
przepływ prądu w półprzewodnikach
półprzewodnik jest specjalnym rodzajem materiału, którego Rezystywność lub przewodność spada gdzieś między dobrymi przewodnikami, takimi jak miedź i aluminium, a izolatorami, takimi jak szkło, ceramika lub plastik. Półprzewodniki są unikalne, ponieważ mogą być wykonane w dowolnym stopniu przewodzenia pożądanego. Oczywiście Półprzewodniki to materiały, z których wykonane są diody, tranzystory i układy scalone.,
najczęstszym materiałem półprzewodnikowym jest pierwiastek krzem (Si). German (Ge) to kolejny element półprzewodnikowy. Istnieją również związki półprzewodnikowe, takie jak arsenek galu (GaAs), fosforek indu (InP) i krzemowo-germanowy (SiGe). Krzem, podobnie jak inne materiały półprzewodnikowe, jest wyjątkowy, ponieważ ma cztery elektrony walencyjne. Ta cecha powoduje, że atomy krzemu łączą się ze sobą w taki sposób, że dzielą swoje elektrony walencyjne. Rezultatem jest unikalna struktura sieci krystalicznej, taka jak pokazana na rysunku 5. Pokazano tylko elektrony walencyjne., Zauważ, jak atomy dzielą swoje elektrony walencyjne z sąsiednimi atomami. Wynikiem tego jest to, że każdy atom myśli, że ma osiem elektronów na swojej zewnętrznej orbicie. Powoduje to, że materiał jest niezwykle stabilny.
rysunek 5. Czysty krzem składa się z atomów, które tworzą wiązania kowalencyjne z sąsiednimi atomami, tworząc strukturę sieci krystalicznej.
Atomy krzemu tworzą tak zwaną strukturę sieci krystalicznej. Wszystkie elektrony walencyjne są w pełni zajęte, ponieważ są one wspólne między atomami., Oznacza to, że w czystej strukturze Krzemowej sieci krystalicznej elektrony nie są dostępne dla przepływu elektronów, ponieważ wszystkie są zajęte w ich wiązaniach współwartościowych. W rezultacie Półprzewodniki, takie jak krzem w stanie czystym, są zasadniczo izolatorami. Oczywiście, jeśli do krzemu zostanie przyłożona wystarczająca ilość ciepła lub przyłożone zostanie wysokie napięcie zewnętrzne, niektóre elektrony mogą być wolne, aby spowodować niewielki przepływ prądu.
aby wykonać krzem, dodajemy do niego inne chemikalia. Proces ten nazywa się dopingiem., Poprzez domieszkowanie krzemu chemikaliami, które mają trzy lub pięć elektronów walencyjnych, możemy stworzyć krzem, w którym łatwo płynie prąd. Rysunek 6 pokazuje, co się dzieje, gdy nasycamy krzem arsenem (As). Arsen ma pięć elektronów walencyjnych. Cztery elektrony łączą się z elektronami w sąsiednich atomach krzemu, tworząc wiązania współwartościowe, jak wcześniej. Pozostał jednak jeszcze jeden elektron. Ten dodatkowy elektron jest dostępny dla przepływu prądu.
rysunek 6., Materiał półprzewodnikowy typu N wykorzystuje elektrony do przepływu prądu.
Silikon domieszkowany chemikaliami, które mają dodatkowy elektron, jest określany jako półprzewodnik typu N. „N” oznacza ujemny, co odnosi się do dodatkowego ujemnego elektronu. Gdy napięcie zewnętrzne jest przyłożone do kawałka materiału półprzewodnikowego typu N, prąd łatwo przepływa, gdy niezwiązane elektrony są przyciągane i ciągnięte przez krzem przez napięcie zewnętrzne. Jeśli krzem jest silnie domieszkowany arsenem, dostępnych jest wiele wolnych elektronów i przepływa duża ilość prądu., Jest to to samo, co stwierdzenie, że materiał ma bardzo niską odporność. Jeśli tylko kilka atomów arsenu zostanie dodanych, mniej elektronów jest dostępnych dla przepływu prądu, więc poziom prądu będzie mniejszy przy napięciu zewnętrznym. Taki materiał ma znacznie większą odporność.
jak widać, przepływ prądu w materiale półprzewodnikowym typu N jest nadal przez elektrony. Jednak możemy również dope krzemu z materiału, który ma tylko trzy elektrony walencyjne. Jest to zilustrowane na rysunku 7, gdzie krzem jest domieszkowany atomami boru (B).,
rysunek 7. Materiał półprzewodnikowy typu P, w którym obecne nośniki stanowią otwory.
trzy elektrony walencyjne w atomie boru tworzą wiązania współwartościowe z sąsiednimi atomami krzemu. Jednak jednemu z atomów krzemu brakuje elektronu. Ten brakujący elektron walencyjny jest określany jako dziura. Dziura nie jest zatem rzeczywistą cząstką, ale po prostu pustką w powłoce walencyjnej struktury sieci krystalicznej, która działa jak nośnik prądu. Ta pustka lub dziura ma dodatni ładunek., Jeśli elektron przejdzie w pobliżu otworu, zostanie przyciągnięty i wypełni otwór, wypełniając Wiązanie współwartościowe.
przepływ prądu w tego typu materiale półprzewodnikowym odbywa się za pomocą otworów. Ten rodzaj materiału półprzewodnikowego jest określany jako materiał typu P. P oznacza dodatni, co odnosi się do ładunku otworu.
gdy napięcie elektryczne jest przyłożone do kawałka materiału półprzewodnikowego typu P, elektrony przepływają do materiału z ujemnego zacisku źródła napięcia i wypełniają otwory., Dodatni ładunek zewnętrznego źródła napięcia ściąga elektrony z zewnętrznych Orbit, tworząc nowe dziury. W ten sposób elektrony przemieszczają się od dziury do dziury. Elektrony nadal przepływają z ujemnego do dodatniego, ale dziury przenoszą się z dodatniego do ujemnego, ponieważ są tworzone przez ładunek zewnętrzny.
przepływ jonów
w niektórych rodzajach materiałów, szczególnie cieczy i plazm, przepływ prądu jest kombinacją zarówno elektronów, jak i jonów.
Rysunek 8 przedstawia uproszczony rysunek ogniwa napięciowego., Wszystkie komórki składają się z dwóch elektrod z różnych materiałów zanurzonych w substancji chemicznej zwanej elektrolitem. Reakcja chemiczna, która ma miejsce, oddziela powstające ładunki. Elektrony piętrzą się na jednej elektrodzie, ponieważ rezygnuje ona z jonów dodatnich, tworząc ujemny terminal, podczas gdy elektrony są wyciągane z drugiej elektrody, tworząc dodatni terminal.
rysunek 8. Przepływ prądu w ogniwie chemicznym.,
za każdym razem, gdy podłączasz ładunek zewnętrzny do tego akumulatora, elektrony przepływają z płytki ujemnej, przez ładunek, do elektrody dodatniej. Wewnątrz komórki elektrony faktycznie przepływają z dodatniego do ujemnego, podczas gdy jony dodatnie przemieszczają się z ujemnego do dodatniego.
żyjąc w zaprzeczeniu
więc dlaczego nadal utrwalamy mit konwencjonalnego przepływu prądu (CCF), skoro wiemy od wieku, że prąd w większości obwodów elektrycznych i elektronicznych jest przepływem elektronów (EF)? Od lat zadaję to pytanie kolegom i innym osobom w przemyśle i nauce., Pomimo faktu, że przepływ elektronów jest rzeczywistością, wszystkie szkoły inżynierskie nalegają na nauczanie CCF. Jeśli byłeś w uzbrojonych służbach lub przeszedłeś przez szeregi jako technik, są szanse, że nauczyłeś się i faworyzujesz przepływ elektronów.
sposób, w jaki nauczyłeś się go w szkole, jest tym, czego zwykle używasz podczas projektowania, analizowania, rozwiązywania problemów lub nauczania w prawdziwym świecie.
czy to ma znaczenie?
jak zapewne wiesz, nie ma znaczenia, który kierunek prądu używasz do analizy i projektowania obwodów działa tak czy inaczej. W rzeczywistości problem ten dotyczy tylko prądu stałego, który płynie tylko w jednym kierunku., W Prąd zmienny elektrony przepływają w obu kierunkach, poruszając się tam iz powrotem z częstotliwością działania. Ale jeśli naprawdę nie ma znaczenia, w którym kierunku się wybieramy, to dlaczego nie porzucimy prawdy i nie zakończymy tego nonsensu raz na zawsze?
na zakończenie
Jeśli kiedykolwiek chcesz rozpocząć żywą rozmowę, może nawet kłótnię, spróbuj poruszyć ten temat w grupie technicznych ludzi. Po prostu możesz być zaskoczony intensywnością uczuć i świętoszkowatymi postawami po obu stronach., Robiłem to wiele razy i nadal jestem zdumiony emocjonalną reakcją, którą generuje ten problem.
mój wniosek jest taki, że koncepcja CCF nigdy nie zostanie porzucona. Jest to nieco podobne do zmuszenia nas wszystkich do przejścia na metryczny system pomiaru za pomocą metrów i Celsjusza, a nie stóp i Fahrenheita, z którymi jesteśmy bardziej zaznajomieni i wygodni. Od tej pory CCF będzie nadal nauczany. Uznałem to za jeden z dziwniejszych dziwactw elektroniki., NV
notatka historyczna
pierwsi badacze elektryczności najpierw odkryli pojęcie napięcia i polaryzacji, a później zaczęli definiować prąd jako ruch ładunków. Termin napięcie oznacza energię, która powoduje przepływ prądu. Początkowo napięcia były tworzone za pomocą środków statycznych, takich jak tarcie lub przez rozjaśnienie. Później ogniwa chemiczne i baterie były używane do tworzenia stałego ładunku lub napięcia. Następnie opracowano Generatory mechaniczne.
ładunki odnoszą się do pewnego rodzaju obiektu fizycznego, który porusza się, gdy jest poddawany sile napięcia., Oczywiście w XVIII wieku osoby pracujące nad projektami elektrycznymi nie wiedziały, jakie są ładunki. Z tego, co wiedzieli, ładunki mogły być mikro-miniaturowymi fioletowymi kostkami wewnątrz drutu lub innego przewodnika. Wiedzieli tylko, że napięcie spowodowało przesunięcie ładunków. Dla celów analizy i dyskusji arbitralnie zakładali, że zarzuty były pozytywne i przechodziły z pozytywnych na negatywne. To kluczowy punkt. Nie znali kierunku przepływu prądu, więc teoretyzowali, co się dzieje. I jak się okazało, pomylili się., Nie ma nic złego w byciu w błędzie, ponieważ naukowcy często hipotezują jedną rzecz, a później odkrywają, że prawda jest czymś innym. Wielkim błędem jest to, że Niepoprawna hipoteza została zachowana i nauczana jako prawda.
pod koniec XIX wieku ostatecznie ustalono, że omawiane ładunki to naprawdę elektrony, a prąd to naprawdę elektrony płynące z ujemnego zacisku źródła napięcia przez obwód do dodatniej strony źródła napięcia. Odkrycia tego dokonał brytyjski fizyk Joseph J. Thomson w 1897 roku., Prawda została w końcu udowodniona i ujawniona.
obudowa do tradycyjnego przepływu prądu.
- to jest tradycyjne.
- Większość inżynierów i niektórzy technicy nauczyli się tego w ten sposób.
- bardzo trudno jest zmienić takie rzeczy jak podręczniki inżynierskie i schematyczne symbole (strzałki w diodach i tranzystorach wskazują kierunek CCF).
- natura ludzka brzydzi się zmianami.
- CCF stał się de facto standardem.
przypadek przepływu elektronów.
- taka jest prawda.,
- działanie urządzeń elektronicznych jest łatwiejsze do wyjaśnienia i nauczenia się przy użyciu przepływu elektronów.
- dlaczego nie ustandaryzować tak naprawdę?