vilken väg strömmar strömmen verkligen?

om du frågar flera elektroniska ingenjörer, tekniker, forskare eller professorer vilken väg ström i en elektrisk krets strömmar, kommer vissa att berätta att det strömmar från den negativa terminalen av en leverans genom en belastning till den positiva terminalen av utbudet. Andra kommer att berätta precis tvärtom, att strömmen faktiskt strömmar från plussidan av spänningskällan till minus.

vem har rätt?, Hur kan så många tekniska proffs förväxlas om något så grundläggande som nuvarande flöde? Vet vi ens vilken väg strömmen flyter? Och spelar det faktiskt någon roll vilken riktning strömmen flyter? Låt oss reda ut allt det här.

Varför är detta så viktigt?

kärnprincipen för varje elektronisk applikation är kontrollen av strömflödet. Fundera. Är inte allt vi gör inom elektronik utformad för att styra strömflödet på något sätt för att producera ett användbart resultat som TV, datorer eller mobiltelefoner? Ta en titt på Figur 1., Denna mycket enkla modell representerar alla elektroniska applikationer. Vi producerar ingångar som är någon typ av elektronisk signal, bearbetar dem på något sätt och genererar sedan lämpliga utgångssignaler. Till exempel kan ingångssignalen komma från en mikrofon. Den bearbetas av en förstärkare för att öka sin effektnivå. Utgången driver en högtalare.

figur 1. Förenklad modell av alla elektroniska kretsar och utrustning.

nu, överväga igen vad som finns i den rutan märkt ”process” i Figur 1., I sin enklaste form kan det bara vara en elektronisk komponent som ett motstånd. Men det kan också vara en krets som en instrumentförstärkare eller miljontals MOSFETs som i en Pentium mikroprocessor.

titta nu på Figur 2. Här är ett annat sätt att hjälpa dig att visualisera vad som händer i alla elektriska eller elektroniska kretsar. En spänningskälla initierar strömflödet i en belastning. Spänningskällan kan vara ett batteri, signalgenerator, strömförsörjning, radiosignal eller en signal från en givare som en mikrofon eller fotocell. Lasten är den enhet som ger några användbara slutresultat., Det kan vara en glödlampa, värmeelement, motor, solenoid, eller bara en annan elektronisk krets. Notera nu kontrollelementet. Detta är den elektroniska komponenten eller kretsen som styr strömmen i lasten.

figur 2. Förenklad förklaring av hur alla elektroniska kretsar fungerar.

styrkretsarna kan vara mer komplexa som en op-amp eller en sats av logiska grindar eller till och med en komplett samling av olika elektroniska kretsar., Komponenterna och kretsarna styr strömmen som produceras av den ursprungliga ingången på olika sätt, ibland i många olika sekventiella och parallella steg, tills en lämplig utgång genereras. Summan av kardemumman här är att generera och styra ström är vad Elektronik handlar om.

konventionell ström vs elektron flöde

forskare, ingenjörer, college professorer, och andra har känt i över 100 år att nuvarande verkligen rör elektroner. Ändå har de fortsatt att använda den ursprungliga positiva till negativa strömflödesmodellen., Detta har kommit att kallas konventionellt strömflöde (CCF). Idag används detta koncept fortfarande i stor utsträckning och lärs nästan universellt fortfarande i vetenskaps-och teknikprogram.

det var inte förrän i mitten av 20-talet som elektronflödet (EF) var allmänt undervisat. Detta kom till följd av den massiva träningen av elektroniska tekniker under andra världskriget. armén och flottan bestämde att elektronflödet var mer lämpligt än konventionellt strömflöde, så de utvecklade alla sina klasser och träningsmaterial med hjälp av elektronflöde., Efter kriget, elektron flöde fångas på och blev det primära sättet att undervisa tekniker i högskolor, tekniska institut och yrkesskolor. Varför de vetenskapliga, tekniska och akademiska samhällena vägrade att byta till elektronflöde är inte känt. Det är troligt att känslan var att elektrisk teori alltid lärdes med den konventionella strömflödesmodellen och det fanns inget särskilt behov, önskan eller anledning att förändras. Förändring är svårt och tradition dör hårt.

precis vad är en elektron?,

en elektron är en subatomisk partikel, en av flera olika delar av en atom. Atomer är de små partiklarna av vilka all materia är gjord. Allt vi vet, känner, ser, berör och luktar består av atomer. Atomer är den minsta partikeln av material som vi kallar element. Element är de grundläggande byggstenarna i naturen. Typiska element är syre, väte, kol, koppar, silver, guld och kisel. Om du till exempel tar en bit koppar och delar den om och om igen tills du får den minsta möjliga delen som fortfarande är igenkännlig som koppar, har du en kopparatom., Allt som inte är ett grundläggande element består av två eller flera element i kombination för att bilda vad vi kallar föreningar. Vatten är en förening av två väteatomer och en syreatom — du vet, H2O. Salt är en förening av natrium och klor (HCL). Den minsta igenkännliga partikeln av en förening kallas en molekyl.

atomerna kan vidare delas in i mindre delar. Eftersom ingen någonsin har sett en atom har fysiker i århundraden teoretiserat om hur en atom ser ut och är gjord av., En populär teori säger att en atom består av en centrumkärna bestående av små partiklar som kallas protoner och neutroner. Protonen har en positiv elektrisk laddning. Neutroner är naturligtvis neutrala. Orbiting runt kärnan är ringar eller skal av elektroner. Elektronerna har en negativ elektrisk laddning. Det finns så många elektroner som det finns protoner så atomen är balanserad elektriskt eller neutralt. Antalet protoner i en atom är dess atomnummer och det numret fastställer elementets egenskaper.

Figur 3 visar en kopparatom., Det finns 29 protoner och 29 elektroner. Lägg märke till atomens yttre skal. Detta kallas valenskalet eftersom det innehåller elektronerna som kombinerar och reagerar med andra element för att bilda kemiska bindningar i föreningar.

figur 3. Kopparatomen.

och det är elektronen eller elektronerna i det yttre valenskalet som frigörs för att producera strömflöde i elektriska och elektroniska komponenter och kretsar.,

hur strömmen flyter

strömflödet i de flesta elektriska och elektroniska kretsar är elektronflödet. Det finns dock några speciella fall där andra partiklar är inblandade. Antag att en koppartråd är ansluten mellan de positiva och negativa terminalerna i en ficklampa cell som i Figur 4. Ett överskott av elektroner ackumuleras på cellens negativa terminal medan den positiva terminalen har brist på elektroner. Detta tillstånd orsakas av den kemiska verkan i cellen.

figur 4., Elektronflöde i en koppartråd.

När koppartråden är ansluten till cellen händer två saker. För det första drar den positiva terminalen valenselektronerna bort från kopparatomer i tråden. När en atom förlorar en eller flera elektroner blir det en positiv jon eftersom den nu har fler protoner än elektroner. Att vara positiv lockar jonerna andra negativa elektroner från närliggande atomer vilket skapar en kedjereaktion av strömflöde.

Vid samma ögonblick avstöter cellens negativa terminal valenselektronerna från de närliggande atomerna i koppartråden., Dessa frigjorda elektroner lockas till de positiva joner som skapas av cellens positiva terminal. Nettoresultatet är en massiv rörelse av elektroner från batteriets negativa terminal till den positiva terminalen. Så här strömmar strömmen i ledningar och kablar och de flesta elektroniska komponenter.

inte allt strömflöde är genom elektronrörelse. I vissa fall är strömmen faktiskt rörelsen hos andra nuvarande bärare. Hål är till exempel unika för strömflöde i vissa typer av halvledarmaterial., Jonflöde är metoden för strömflöde i plasmaer och elektrokemiska reaktioner i batterier.

strömflöde i halvledare

en halvledare är en speciell typ av material vars resistivitet eller ledningsförmåga faller någonstans mellan bra ledare, som koppar och aluminium, och isolatorer som glas, keramik eller plast. Halvledare är unika genom att de kan göras för att ha någon grad av ledning som önskas. Naturligtvis är halvledare de material från vilka dioder, transistorer och integrerade kretsar tillverkas.,

det vanligaste halvledarmaterialet är elementet kisel (Si). Germanium (Ge) är ett annat halvledarelement. Det finns också halvledarföreningar som galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (inp) och kisel-germanium (SiGe). Kisel, liksom andra halvledarmaterial, är unik genom att den har fyra valenselektroner. Denna egenskap gör att kiselatomerna binder samman på ett sådant sätt att de delar sina valenselektroner. Resultatet är en unik kristallgitterstruktur som den som visas i Figur 5. Endast valenselektronerna visas., Notera hur atomerna delar sina valenselektroner med intilliggande atomer. Resultatet av detta är att varje atom tror att den har åtta elektroner i sin yttre bana. Detta gör att materialet är extremt stabilt.

figur 5. Rent kisel består av atomer som bildar kovalenta bindningar med intilliggande atomer för att bilda en kristallgitterstruktur.

kiselatomerna bildar vad som kallas en kristallgitterstruktur. Alla valenselektroner är fullt upptagna eftersom de delas bland atomerna., Vad detta innebär är att i en ren kiselkristallgitterstruktur finns inga elektroner tillgängliga för elektronflöde eftersom de alla är upptagna i sina samvalenta bindningar. Som ett resultat är halvledare som kisel i rent tillstånd väsentligen isolatorer. Naturligtvis, om tillräcklig värme appliceras på kisel eller en hög yttre spänning appliceras, kan några av elektronerna dras fri för att orsaka en liten mängd strömflöde.

för att göra silicon conduct lägger vi till andra kemikalier till den. Denna process kallas dopning., Genom att dopa kisel med kemikalier som har antingen tre eller fem valenselektroner kan vi skapa kisel där strömmen lätt flyter. Figur 6 visar vad som händer när vi dope kisel med arsenik (As). Arsenik har fem valenselektroner. Fyra av elektronerna kombinerar med elektronerna i de intilliggande kiselatomerna för att bilda samvalenta bindningar som tidigare. Det finns dock en extra elektron kvar. Denna extra elektron är tillgänglig för strömflöde.

figur 6., N-typ halvledarmaterial använder elektroner för strömflöde.

kisel dopad med kemikalier som har en extra elektron kallas en N-typ halvledare. ”N” betyder negativ, som refererar till den extra negativa elektronen. När en yttre spänning appliceras på en bit av N-typ halvledarmaterial, strömmar strömmen lätt när de obundna elektronerna lockas och dras genom kisel genom den yttre spänningen. Om kiseln är kraftigt dopad med arsenik finns många fria elektroner tillgängliga och en hög mängd ström kommer att flöda., Detta är detsamma som att säga att materialet har ett mycket lågt motstånd. Om endast ett fåtal arsenikatomer läggs till, är färre elektroner tillgängliga för strömflöde så att strömnivån blir mindre med en extern spänning. Sådant material har ett mycket högre motstånd.

som du kan se är strömflödet i halvledarmaterial av N-typ fortfarande av elektroner. Men vi kan också dope kisel med ett material som bara har tre valenselektroner. Detta illustreras i Figur 7 där kisel dopas med bor (B) atomer.,

figur 7. Halvledarmaterial av p-typ där hål är de nuvarande bärarna.

de tre valenselektronerna i boratomen bildar samvalenta bindningar med intilliggande kiselatomer. En av kiselatomerna saknar emellertid en elektron. Denna saknade valenselektron kallas ett hål. Ett hål är därför inte en verklig partikel, utan helt enkelt en ledig plats i valenskalet i kristallgitterstrukturen som fungerar som en strömbärare. Denna lediga tjänst eller hål har en positiv laddning., Om en elektron passerar nära hålet kommer den att lockas och den kommer att fylla hålet och slutföra medvalent bindning.

strömflödet i denna typ av halvledarmaterial är genom hål. Denna typ av halvledarmaterial kallas material av P-typ. P betyder positiv, som hänvisar till laddningen av hålet.

När en elektrisk spänning appliceras på ett stycke halvledarmaterial av p-typ, strömmar elektroner in i materialet från spänningskällans negativa terminal och fyller hålen., Den positiva laddningen av den yttre spänningskällan drar elektroner från de yttre banorna och skapar nya hål. Således flyttar elektroner från hål till hål. Elektroner flyter fortfarande från negativ till positiv, men hål rör sig från positiv till negativ eftersom de skapas av den externa laddningen.

jonflöde

i vissa typer av material, särskilt vätskor och plasmor, är strömflödet en kombination av både elektroner och joner.

figur 8 visar den förenklade ritningen av en spänningscell., Alla celler består av två elektroder av olika material nedsänkta i en kemikalie som kallas en elektrolyt. Den kemiska reaktionen som äger rum skiljer de avgifter som skapas. Elektroner staplar upp på en elektrod eftersom det ger upp positiva joner som skapar den negativa terminalen medan elektroner dras från den andra elektroden som skapar den positiva terminalen.

figur 8. Nuvarande flöde i en kemisk cell.,

När du ansluter en extern belastning till detta batteri, strömmar elektroner från den negativa plattan, genom lasten, till den positiva elektroden. Inuti cellen strömmar elektroner faktiskt från positiva till negativa medan positiva joner rör sig från negativa till positiva.

bor i förnekelse

så varför fortsätter vi att föreviga myten om konventionellt strömflöde (CCF) när vi har känt för ett sekel att strömmen i de flesta elektriska och elektroniska kretsar är elektronflöde (EF)? Jag har ställt den frågan till mina kolleger och andra inom industri och akademisk i åratal., Trots att elektronflödet är verkligheten insisterar alla tekniska skolor på att undervisa CCF. Om du var i de väpnade tjänsterna eller kom upp i ledningarna som tekniker, är chansen att du lärt dig och gynnar electron flow.

hur du lärde dig det i skolan är vad du brukar använda när du utformar, analyserar, felsöker eller undervisar i den verkliga världen.

spelar det verkligen någon roll?

som du kanske vet spelar det ingen roll vilken strömriktning du använder som kretsanalys och design som helst. Faktum är att denna fråga endast påverkar DC som strömmar i endast en riktning., I växelström strömmar elektroner i båda riktningarna, rör sig fram och tillbaka vid driftsfrekvensen. Men om det verkligen inte spelar någon roll vilken riktning vi antar, varför inte vi standard till sanningen och avsluta detta nonsens en gång för alla?

Sammanfattningsvis

om du någonsin vill starta en livlig konversation, kanske till och med ett argument, försök att ta upp detta ämne i en grupp tekniska personer. Du kan bara bli förvånad över intensiteten i känslorna och de skenheliga attityderna på båda sidor., Jag har gjort detta många gånger och jag är fortfarande förvånad över det känslomässiga svaret som denna fråga genererar.

min slutsats är att begreppet CCF aldrig kommer att överges. Det är något besläktat med att tvinga oss alla att byta till det metriska mätsystemet med mätare och Celsius snarare än fötter och Fahrenheit som vi är mer bekanta och bekväma med. CCF kommer att fortsätta att undervisas från och med nu. Jag har kommit för att acceptera det här som en av främlingarnas egenheter av elektronik., NV

Historisk anteckning

tidiga forskare av el upptäckte först begreppet spänning och polaritet, sedan senare fortsatte med att definiera ström som rörelse av avgifter. Termen spänning betyder den energi som gör strömflödet. Ursprungligen skapades spänningar med statiska medel som friktion eller genom belysning. Senare användes kemiska celler och batterier för att skapa en konstant laddning eller spänning. Mekaniska generatorer utvecklades nästa.

laddningar avser någon form av fysiskt föremål som rör sig när det utsätts för spänningen., På 1700-talet visste de som arbetade med elprojekt inte riktigt vad laddningarna var. För allt de visste, laddningarna kunde ha varit mikro miniatyr lila kuber inuti en tråd eller annan ledare. Vad de visste var att spänningen fick laddningarna att röra sig. För analys och diskussion antog de godtyckligt att avgifterna var positiva och flödade från positiva till negativa. Detta är en viktig punkt. De visste inte riktigt riktningen för nuvarande flöde, så de teoretiserade vad som hände. Och som det visade sig gissade de fel., Det är inget fel med att vara fel som forskare ofta hypoteser en sak, sedan senare att finna att sanningen är något annat. Det stora misstaget är att den felaktiga hypotesen har behållits och lärts som sanning.

i slutet av 1800-talet bestämdes det slutligen att de avgifter som diskuterades verkligen var elektroner och strömmen var verkligen elektroner som flödade från den negativa terminalen hos en spänningskälla genom kretsen till den positiva sidan av spänningskällan. Brittisk fysiker, Joseph J. Thomson gjorde denna upptäckt i1897., Sanningen var äntligen bevisad och avslöjad.

fallet för konventionellt strömflöde.

1. Det är traditionellt.
2. de flesta ingenjörer och vissa tekniker har lärt sig det här sättet.
3. Det är mycket svårt att ändra saker som tekniska läroböcker och schematiska symboler (pilarna i dioder och transistorer pekar i riktning mot CCF).
4. mänskliga naturen abhors förändring.
5. CCF har blivit en de facto-standard.

fallet för elektronflöde.

1. Det är sanningen.,
2. driften av elektroniska enheter är lättare att förklara och lära sig med hjälp av elektronflöde.
3. Varför inte standardisera på hur det verkligen är?