1.7: Звичайний проти потоку електронів

Позитивний і негативний електронний заряд

Коли Бенджамін Франклін зробив свою здогаду щодо напрямку потоку заряду (від гладкого воску до грубої вовни), він створив прецедент для електричних позначень, який існує донині, незважаючи на те, що ми знаємо, що електрони є складовими одиницями заряду, і що вони витісняються з вовни на віск - не від воску до вовни - коли ці дві речовини стираються разом. Ось чому кажуть, що електрони мають негативний заряд: оскільки Франклін припускав, що електричний заряд рухається в протилежному напрямку, що він насправді робить, і тому об'єкти, які він називав «негативними» (що представляють собою дефіцит заряду), насправді мають надлишок електронів.

До моменту виявлення справжнього напрямку потоку електронів номенклатура «позитивних» і «негативних» вже настільки добре закріпилася в науковому співтоваристві, що не було докладено зусиль для його зміни, хоча називати електрони «позитивними» матиме більше сенсу в посиланні на «надлишковий» заряд. Розумієте, терміни «позитивний» і «негативний» - це людські винаходи, і як такі не мають абсолютного значення за межами наших власних мовних умовностей та наукового опису. Франклін міг так само легко називати надлишок заряду як «чорний», а дефіцит, як «білий», і в цьому випадку вчені говорили б про електрони, що мають «білий» заряд (припускаючи ту ж неправильну гіпотезу положення заряду між воском і вовною).

Звичайні позначення потоку

Однак, оскільки ми схильні асоціювати слово «позитивний» із «надлишком» та «негативним» з «дефіцитом», стандартна мітка для електронного заряду здається зворотною. Через це багато інженерів вирішили зберегти стару концепцію електрики з «позитивом», посилаючись на надлишок заряду, і позначити витрату заряду (струм) відповідно. Це стало відомо як умовні позначення потоку:

Позначення потоку електронів

Інші вирішили позначити потік заряду відповідно до фактичного руху електронів в ланцюзі. Така форма символіки стала називатися електронним потоком позначення:

У звичайних позначеннях потоку ми показуємо рух заряду згідно (технічно невірним) мітками + і -. Таким чином, мітки мають сенс, але напрямок потоку заряду невірний. У позначеннях електронного потоку ми стежимо за фактичним рухом електронів в ланцюзі, але мітки + і - здаються назад. Чи має значення, насправді, як ми позначаємо потік заряду в ланцюзі? Не зовсім, до тих пір, поки ми послідовні у використанні наших символів. Ви можете стежити за уявним напрямком струму (звичайним потоком) або фактичним (потік електронів) з однаковим успіхом, що стосується аналізу ланцюгів. Поняття напруги, струму, опору, безперервності та навіть математичних методів лікування, таких як Закон Ома (глава 2) та Закони Кірхгофа (глава 6), залишаються такими ж дійсними з будь-яким стилем позначення.

Звичайне позначення потоку проти позначення потоку електронів

Ви знайдете звичайні позначення потоку, за якими слідують більшість інженерів-електриків, і проілюстровані в більшості інженерних підручників. Потік електронів найчастіше спостерігається у вступних підручниках (цей в тому числі) і в працях професійних вчених, особливо твердотільних фізиків, які стурбовані фактичним рухом електронів в речовині. Ці переваги є культурними, в тому сенсі, що певним групам людей було вигідно уявити рух електричного струму певним чином. Оскільки більшість аналізів електричних ланцюгів не залежать від технічно точного зображення потоку заряду, вибір між звичайними позначеннями потоку та позначенням потоку електронів є довільним. майже.

Поляризація і неполяризація

Багато електричні пристрої переносять реальні струми будь-якого напрямку без різниці в роботі. Лампи розжарювання (тип, що використовує тонку металеву нитку розжарювання, яка світиться білим гарячим при достатньому струмі), наприклад, виробляють світло з однаковою ефективністю незалежно від напрямку струму. Вони навіть добре функціонують на змінному струмі (AC), де напрямок швидко змінюється з плином часу. Провідники і вимикачі працюють незалежно від напрямку струму, а також. Технічним терміном для цієї неактуальності потоку заряду є неполяризація. Тоді можна сказати, що лампи розжарювання, вимикачі та дроти є неполяризованими компонентами. І навпаки, будь-який пристрій, який по-різному функціонує на струмах різного напрямку, називався б поляризованим пристроєм.

Існує безліч таких поляризаційних пристроїв, що застосовуються в електричних ланцюгах. Більшість з них виготовлені з так званих напівпровідникових речовин, і як такі не розглядаються детально до третього тома цієї книжкової серії. Як і вимикачі, і лампи, і батареї, кожен з цих приладів представлений на принциповій схемі унікальним символом. Як можна здогадатися, символи поляризованих пристроїв зазвичай містять стрілку всередині них, десь, щоб позначити бажаний або виключний напрямок струму. Тут дійсно мають значення конкуруючі позначення звичайного та електронного потоку. Оскільки інженери з давніх-давен зупинилися на звичайному потоці як стандартні позначення «культури», і оскільки інженери - це ті самі люди, які винаходять електричні пристрої та символи, що їх представляють, стрілки, використовувані в символах цих пристроїв, все вказують у напрямку звичайного потоку, не потік електронів. Тобто, усі символи цих пристроїв мають стрілки, які вказують на фактичний потік електронів через них.

Мабуть, найкращим прикладом поляризованого пристрою є діод. Діод - це односторонній «клапан» для електричного струму, аналог зворотного клапана для знайомих з сантехнічними і гідравлічними системами. В ідеалі діод забезпечує безперешкодне протікання струму в одному напрямку (мало або зовсім відсутній опір), але перешкоджає протіканню в іншому напрямку (нескінченний опір). Її схематичне умовне позначення виглядає так:

Розміщений в ланцюзі акумулятора/лампи, його робота така:

Коли діод звернений в правильному напрямку, щоб дозволити струм, лампа світиться. В іншому випадку діод блокує весь потік електронів так само, як розрив в ланцюзі, і лампа не буде світитися.

Якщо позначити струм ланцюга за допомогою звичайних позначень потоку, символ стрілки діода має сенс: трикутна стрілка вказує в напрямку потоку заряду, від позитивного до негативного:

З іншого боку, якщо ми використовуємо позначення електронного потоку, щоб показати справжній напрямок руху електронів навколо ланцюга, символіка стрілки діода здається назад:

Тільки з цієї причини багато людей вирішили зробити звичайний потік їх позначення вибору при малюванні напрямку руху заряду в ланцюзі. Якщо ні з якої іншої причини, символи, пов'язані з напівпровідниковими компонентами, такими як діоди, мають більше сенсу таким чином. Однак інші вирішили показати справжній напрямок руху електронів, щоб уникнути необхідності говорити собі, «просто пам'ятайте, що електрони насправді рухаються іншим шляхом», коли справжній напрямок руху електронів стає проблемою.

Який з них слід використовувати?

У цій серії підручників я взяв на себе зобов'язання використовувати нотації електронного потоку. За іронією долі, це був не мій перший вибір. Мені було набагато простіше, коли я вперше вивчав електроніку використовувати звичайні позначення потоку, насамперед через напрямки стрілок символів напівпровідникового пристрою. Пізніше, коли я почав своє перше формальне навчання електроніці, мій інструктор наполягав на використанні в своїх лекціях нотації електронного потоку. Насправді він попросив, щоб ми взяли наші підручники (які були проілюстровані за допомогою звичайних позначень потоку) і використовувати наші ручки, щоб змінити напрямки всіх поточних стрілок так, щоб вказати «правильний» шлях! Однак його перевага не була довільною. За свою 20-річну кар'єру техніком з електроніки ВМС США він працював над великою кількістю обладнання для вакуумних труб. До появи напівпровідникових компонентів, таких як транзистори, пристрої, відомі як вакуумні трубки або електронні трубки, використовувалися для посилення малих електричних сигналів. Ці пристрої працюють над явищем електронів, що мчать через вакуум, їх швидкість потоку контролюється напругами, що застосовуються між металевими пластинами та сітками, розміщеними в межах їх шляху, і найкраще розуміються при візуалізації за допомогою позначення електронного потоку.

Коли я закінчив цю навчальну програму, я повернувся до своєї старої звички до звичайних позначень потоку, насамперед заради мінімізації плутанини з символами компонентів, оскільки вакуумні трубки все, але застарілі, за винятком спеціальних програм. Збираючи нотатки для написання цієї книги, я мав повний намір проілюструвати її за допомогою звичайного потоку.

Через роки, коли я став викладачем електроніки, навчальний план програми, яку я збирався викладати, вже була встановлена навколо позначення потоку електронів. Як не дивно, це було частково пов'язано зі спадщиною мого першого інструктора з електроніки (20-річного ветерана ВМС), але це зовсім інша історія! Не бажаючи плутати учнів, навчаючи «інакше» від інших інструкторів, мені довелося подолати свою звичку і звикнути до візуалізації потоку електронів замість звичайного. Оскільки я хотів, щоб моя книга була корисним ресурсом для моїх учнів, я з нетерпінням змінив плани і проілюстрував її всіма стрілками, що вказують на «правильний» шлях. Ну, іноді ти просто не можеш виграти!

На позитивній ноті (каламбур не призначений), я згодом виявив, що деякі студенти віддають перевагу нотації електронного потоку, коли вперше дізнаються про поведінку напівпровідникових речовин. Крім того, звичка візуалізувати електрони, що протікають проти стрілок символів поляризованих пристроїв, не так вже й важко вивчити, і врешті-решт я виявив, що я можу стежити за роботою схеми однаково добре, використовуючи будь-який режим позначення. Тим не менш, мені іноді цікаво, чи все буде набагато простіше, якби ми повернулися до джерела плутанини - помилкової гіпотези Бена Франкліна - і виправили проблему там, називаючи електрони «позитивними», а протони «негативними».