Условный электрический ток и реальный поток электронов

«В стандартах хорошо то, что их так много, что есть из чего можно выбрать.»

Положительный и отрицательный заряд электронов

Когда Бенджамин Франклин высказал свое предположение относительно направления потока заряда (от гладкого воска к грубой шерсти), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на тот факт, что мы знаем, что электроны являются составными единицами заряда, и что они перемещаются с шерсти на воск, а не с воска на шерсть, когда эти два вещества натираются друг об друга. Вот почему говорят, что электроны имеют отрицательный заряд: поскольку Франклин предполагал, что электрический заряд движется в направлении, противоположном тому, в котором он движется на самом деле, и поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (представляющими недостаток заряда), на самом деле имеют избыток электронов.

К тому времени, когда было обнаружено истинное направление потока электронов, терминология «положительный» и «отрицательный» уже была настолько прочно закреплена в научном сообществе, что не было предпринято никаких усилий, чтобы изменить его, хотя называние электронов «положительными» дало бы больше смысла упоминанию «избытка» заряда. Видите ли, термины «положительный» и «отрицательный» являются изобретениями человека и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами наших собственных условностей языка и научного описания. Франклин мог бы так же легко называть избыток заряда «черным», а недостаток – «белым», и в этом случае ученые могли бы говорить об электронах, имеющих «белый» заряд (при том же неверном предположении о распределении заряда между воском и шерстью).

Обозначение условного потока

Однако, поскольку мы склонны связывать слово «положительный» с «избытком», а «отрицательный» – с «дефицитом», стандартное обозначение заряда электрона кажется запоздалым. Из-за этого многие инженеры решили сохранить старую концепцию электричества с «положительным», относящимся к избытку заряда, и соответствующим образом обозначить поток заряда (электрический ток). Это стало известно как обозначение условного потока:

Обозначение потока электронов

Другие решили обозначить поток заряда в соответствии с фактическим движением электронов в цепи. Эта форма стала известна как обозначение потока электронов:

В обозначении условного потока мы показываем движение заряда согласно (технически некорректным) меткам + и -. Таким образом, эти метки имеют смысл, но направление потока заряда указывается неверно. В обозначениях электронного потока мы следим за фактическим движением электронов в цепи, но метки + и - кажутся обратными. Действительно ли имеет значение, как мы обозначаем поток заряда в цепи? Не совсем, если мы единообразно используем наши символы. Вы можете следить за воображаемым направлением электрического тока (условный поток) или за фактическим (поток электронов) с равным успехом в том, что касается анализа схемы. Концепции напряжения, тока, сопротивления, непрерывности и даже математические трактовки, такие как закон Ома (глава 2) и законы Кирхгофа (глава 6), остаются столь же актуальными для любого стиля записи.

Обозначение условного потока против обозначения потока электронов

Вы можете обнаружить, что обозначения условного потока используются большинством инженеров-электронщиков и приводятся на иллюстрациях в большинстве учебников. Электронный поток чаще всего встречается во вводных учебниках (однако от этого отходят) и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердого тела, которым важно реальное движение электронов в веществах. Эти предпочтения носят культурный характер в том смысле, что определенные группы людей сочли полезным представить себе движение электрического тока определенными способами. Поскольку большинство анализов электрических цепей не зависит от технически точного описания потока заряда, выбор между обозначением условного потока и обозначением потока электронов является произвольным... почти.

Полярность и неполярность

Многие электрические устройства допускают наличие реальных токов любого направления без разницы в работе. Например, лампы накаливания (в которых используется тонкая металлическая нить накаливания, которая накаляется добела при достаточном токе), например, излучают свет с одинаковой эффективностью независимо от направления тока. Они даже хорошо работают на переменном токе (AC), где направление быстро меняется в зависимости от времени. Проводники и переключатели работают также независимо от направления тока. Технический термин для обозначения этой несущественности потока заряда – неполярность. Тогда мы могли бы сказать, что лампы накаливания, переключатели и провода являются неполярными компонентами. И наоборот, любое устройство, которое по-разному работает с токами разного направления, будет называться полярным.

В электрических цепях используется множество таких полярных устройств. Большинство из них сделано из так называемых полупроводниковых веществ и поэтому не рассматриваются подробно до третьего тома этой серии книг. Подобно выключателям, лампам и батареям, каждое из этих устройств представляется на схеме уникальным условным обозначением. Как можно догадаться, символы полярных устройств обычно содержат где-нибудь внутри стрелки, обозначающие предпочтительное или исключительное направление тока. Вот где действительно имеют значение конкурирующие обозначения условного и электронного потоков. Поскольку инженеры с давних времен остановились на условном потоке как на стандартном обозначении в своей «культуре», и поскольку инженеры – это те же люди, которые изобретают электрические устройства и придумывают для них обозначения, все стрелки, используемые в символах этих устройств, указывают в направлении обозначений условного потока, а не потока электронов. Иными словами, на всех условных обозначениях этих устройств есть стрелки, указывающие против направления реального потока электронов через них.

Возможно, лучший пример полярного устройства – это диод. Диод – это односторонний «клапан» для электрического тока, аналог обратного клапана для тех, кто знаком с водопроводными и гидравлическими системами. В идеале диод обеспечивает беспрепятственное прохождение тока в одном направлении (небольшое сопротивление или его отсутствие), но предотвращает прохождение тока в другом направлении (бесконечное сопротивление). Его условное графическое обозначение на схеме выглядит так:

Помещенный в цепь батареи/лампы, он работает следующим образом:

Когда диод направлен в правильном направлении, чтобы пропускать ток, лампа светится. В противном случае диод блокирует прохождение тока так же, как разрыв цепи, и лампа гореть не будет.

Если мы обозначим ток в цепи, используя обозначение условного потока, символ стрелки диода будет иметь смысл: треугольная форма указывает в направлении потока заряда, от положительного к отрицательному:

С другой стороны, если мы используем обозначение потока электронов, чтобы показать истинное направление движения электронов по цепи, стрелка обозначения диода будет указывать в противоположную сторону:

Уже по этой причине многие люди предпочитают использовать условный поток при рисовании направления движения заряда в цепи. Если только нет других причин, обозначения, связанные с полупроводниковыми компонентами, такими как диоды, в этом случае имеют больше смысла. Однако другие люди предпочитают показывать истинное направление движения электронов, чтобы не говорить себе: «просто помни, что электроны на самом деле движутся в другую сторону», когда истинное направление движения электронов становится проблемой.

Что следует использовать: условный ток или поток электронов?

Обе модели дадут точные результаты при последовательном использовании, и они одинаково «правильны», поскольку являются инструментами, которые помогают нам понимать и анализировать электрические схемы. Однако в контексте электротехники условный ток распространен гораздо больше. В этом учебнике используется условный ток, и любой, кто намеревается изучать электронику в академической или профессиональной среде, должен научиться естественно думать об электрическом токе как о чем-то, что течет от более высокого напряжения к более низкому.

Теги