Conventional Versus Electron Flow

“Het leuke van standaarden is dat er zo velen van hen om uit te kiezen.” —Andrew S. Tanenbaum, hoogleraar computerwetenschappen

Positieve en negatieve elektronenlading

Toen Benjamin Franklin zijn vermoeden deed over de richting van de ladingsstroom (van de gladde was naar de ruwe wol), schiep hij een precedent voor elektrische notatie die tot op de dag van vandaag bestaat, ondanks het feit dat we weten dat elektronen de samenstellende eenheden van lading zijn, en dat ze worden verplaatst van de wol naar de was - niet van de was naar de wol - wanneer die twee stoffen tegen elkaar worden gewreven. Dit is de reden waarom elektronen een negatief . hebben lading:omdat Franklin aannam dat elektrische lading zich in de tegenovergestelde richting bewoog, en daarom hebben objecten die hij 'negatief' noemde (wat staat voor een tekort aan lading) in feite een overschot aan elektronen.

Tegen de tijd dat de ware richting van de elektronenstroom werd ontdekt, was de nomenclatuur van "positief" en "negatief" al zo goed ingeburgerd in de wetenschappelijke gemeenschap dat er geen poging werd gedaan om het te veranderen, hoewel het noemen van elektronen "positief" meer zou opleveren. zin om te verwijzen naar "overtollige" lading. Zie je, de termen "positief" en "negatief" zijn menselijke uitvindingen en hebben als zodanig geen absolute betekenis buiten onze eigen conventies van taal en wetenschappelijke beschrijving. Franklin had net zo goed kunnen verwijzen naar een overschot aan lading als "zwart" en een tekort als "wit", in welk geval wetenschappers zouden spreken van elektronen met een "witte" lading (uitgaande van hetzelfde onjuiste vermoeden van ladingspositie tussen was en wol).

Conventionele stroomnotatie

Omdat we echter de neiging hebben om het woord 'positief' te associëren met 'overschot' en 'negatief' met 'tekort', lijkt het standaardlabel voor elektronenlading achterlijk. Daarom besloten veel ingenieurs om het oude concept van elektriciteit te behouden met 'positief', verwijzend naar een overschot aan lading, en dienovereenkomstig de laadstroom (stroom) te labelen. Dit werd bekend als conventionele stroom notatie:

Elektronenstroomnotatie

Anderen kozen ervoor om de ladingsstroom aan te duiden op basis van de werkelijke beweging van elektronen in een circuit. Deze vorm van symboliek werd bekend als elektronenstroom notatie:

In conventionele stroomnotatie tonen we de beweging van lading volgens de (technisch incorrecte) labels van + en -. Op deze manier zijn de labels logisch, maar de richting van de ladingsstroom is onjuist. In elektronenstroomnotatie volgen we de werkelijke beweging van elektronen in het circuit, maar de + en - labels lijken achterwaarts. Maakt het echt uit hoe we de ladingsstroom in een circuit aanwijzen? Niet echt, zolang we maar consequent zijn in het gebruik van onze symbolen. U kunt een ingebeelde stroomrichting (conventionele stroom) of de werkelijke (elektronenstroom) volgen met evenveel succes voor zover het circuitanalyse betreft. Concepten van spanning, stroom, weerstand, continuïteit en zelfs wiskundige behandelingen zoals de wet van Ohm (hoofdstuk 2) en de wetten van Kirchhoff (hoofdstuk 6) blijven even geldig voor beide notatiestijlen.

Conventionele stroomnotatie versus elektronenstroomnotatie

U vindt conventionele stroomnotatie gevolgd door de meeste elektrotechnici en geïllustreerd in de meeste technische handboeken. Elektronenstroom wordt het vaakst gezien in inleidende leerboeken (deze wijkt er echter vanaf) en in de geschriften van professionele wetenschappers, met name vastestoffysici die zich bezighouden met de feitelijke beweging van elektronen in stoffen. Deze voorkeuren zijn cultureel, in die zin dat bepaalde groepen mensen het voordelig hebben gevonden om elektrische stroom op bepaalde manieren voor te stellen. Omdat de meeste analyses van elektrische circuits niet afhankelijk zijn van een technisch nauwkeurige weergave van de ladingsstroom, is de keuze tussen conventionele stroomnotatie en elektronenstroomnotatie willekeurig. . . bijna.

Polarisatie en niet-polarisatie

Veel elektrische apparaten tolereren echte stromen van beide richtingen zonder verschil in werking. Gloeilampen (het type dat gebruik maakt van een dunne metalen gloeidraad die witgloeiend gloeit met voldoende stroom), bijvoorbeeld, produceren licht met dezelfde efficiëntie, ongeacht de stroomrichting. Ze functioneren zelfs goed op wisselstroom (AC), waarbij de richting in de loop van de tijd snel verandert. Geleiders en schakelaars werken ook ongeacht de stroomrichting. De technische term voor deze irrelevantie van ladingsstroom is niet-polarisatie . We zouden dan kunnen zeggen dat gloeilampen, schakelaars en draden niet-gepolariseerd zijn componenten. Omgekeerd zou elk apparaat dat anders werkt op stromen van verschillende richtingen een gepolariseerd . worden genoemd apparaat.

Er zijn veel van dergelijke gepolariseerde apparaten die worden gebruikt in elektrische circuits. De meeste zijn gemaakt van zogenaamde halfgeleider stoffen, en worden als zodanig pas in het derde deel van deze boekenreeks in detail onderzocht. Net als schakelaars, lampen en batterijen wordt elk van deze apparaten in een schematisch diagram weergegeven door een uniek symbool. Zoals je zou kunnen raden, bevatten gepolariseerde apparaatsymbolen meestal ergens een pijl om een ​​voorkeurs- of exclusieve stroomrichting aan te duiden. Dit is waar de concurrerende notaties van conventionele en elektronenstroom er echt toe doen. Omdat ingenieurs van lang geleden conventionele stroom hebben gekozen als de standaardnotatie van hun 'cultuur', en omdat ingenieurs dezelfde mensen zijn die elektrische apparaten uitvinden en de symbolen die ze vertegenwoordigen, wijzen de pijlen die in de symbolen van deze apparaten worden gebruikt allemaal naar de richting van conventionele stroom, niet elektronenstroom . Dat wil zeggen dat alle symbolen van deze apparaten pijlmarkeringen hebben die tegen . wijzen de feitelijke stroom van elektronen erdoorheen.

Misschien wel het beste voorbeeld van een gepolariseerd apparaat is de diode . Een diode is een eenrichtingsklep voor elektrische stroom, analoog aan een terugslagklep voor degenen die bekend zijn met sanitair en hydraulische systemen. Idealiter zorgt een diode voor een ongehinderde stroom voor stroom in één richting (weinig of geen weerstand), maar voorkomt stroom in de andere richting (oneindige weerstand). Het schematische symbool ziet er als volgt uit:

Geplaatst in een batterij-/lampcircuit, is de werking als volgt:

Wanneer de diode in de juiste richting wijst om stroom toe te laten, gloeit de lamp. Anders blokkeert de diode de stroom, net als een onderbreking in het circuit, en zal de lamp niet gloeien.

Als we de circuitstroom labelen met behulp van conventionele stroomnotatie, is het pijlsymbool van de diode volkomen logisch:de driehoekige pijlpunt wijst in de richting van de ladingsstroom, van positief naar negatief:

Aan de andere kant, als we elektronenstroomnotatie gebruiken om de ware richting van het elektron rond het circuit, de pijlsymboliek van de diode lijkt achteruit:

Alleen al om deze reden kiezen veel mensen ervoor om conventionele stroom hun favoriete notatie te maken bij het tekenen van de richting van de ladingsbeweging in een circuit. Als om geen enkele andere reden de symbolen die zijn gekoppeld aan halfgeleidercomponenten zoals diodes, op deze manier logischer zijn. Anderen kiezen er echter voor om de ware richting van de elektronenbeweging te laten zien om te voorkomen dat ze zichzelf moeten vertellen:"Onthoud dat de elektronen eigenlijk zijn de andere kant op bewegen' wanneer de ware richting van elektronenbeweging een probleem wordt.

Moet u conventionele stroom of elektronenstroom gebruiken?

Beide modellen zullen nauwkeurige resultaten opleveren als ze consequent worden gebruikt, en ze zijn even "juist" voor zover het hulpmiddelen zijn die ons helpen elektrische circuits te begrijpen en te analyseren. In de context van elektrotechniek is conventionele stroom echter veel gebruikelijker. Dit leerboek maakt gebruik van conventionele stroom, en iedereen die elektronica wil studeren in een academische of professionele omgeving, moet leren om op natuurlijke wijze over elektrische stroom te denken als iets dat van een hogere spanning naar een lagere spanning stroomt."

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Elektron versus conventionele stroom