Konventioneller versus Elektronenfluss

“Das Schöne an Standards ist, dass es so viele davon zur Auswahl.“ —Andrew S. Tanenbaum, Informatikprofessor

Positive und negative Elektronenladung

Als Benjamin Franklin seine Vermutung über die Richtung des Ladungsflusses (vom glatten Wachs bis zur rauen Wolle) machte, schuf er einen Präzedenzfall für die bis heute existierende elektrische Notation, obwohl wir wissen, dass Elektronen die konstituierenden Einheiten der Ladung sind. und dass sie von der Wolle zum Wachs – nicht vom Wachs zur Wolle – verdrängt werden, wenn diese beiden Substanzen aneinander gerieben werden. Aus diesem Grund haben Elektronen ein negativ Ladung:weil Franklin annahm, dass sich die elektrische Ladung in die entgegengesetzte Richtung bewegt, als sie es tatsächlich tut, und Objekte, die er "negativ" nannte (was einen Ladungsmangel darstellt), haben tatsächlich einen Überschuss an Elektronen.

Als die wahre Richtung des Elektronenflusses entdeckt wurde, war die Nomenklatur von „positiv“ und „negativ“ in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bereits so gut etabliert, dass keine Anstrengungen unternommen wurden, sie zu ändern, obwohl die Bezeichnung von Elektronen als „positiv“ mehr bringen würde Sinn in Bezug auf "überhöhte" Gebühren. Sehen Sie, die Begriffe „positiv“ und „negativ“ sind menschliche Erfindungen und haben als solche keine absolute Bedeutung jenseits unserer eigenen Sprachkonventionen und wissenschaftlichen Beschreibungen. Franklin hätte einen Ladungsüberschuss genauso gut als „schwarz“ und einen Mangel als „weiß“ bezeichnen können Wolle).

Herkömmliche Flussnotation

Da wir jedoch dazu neigen, das Wort „positiv“ mit „Überschuss“ und „negativ“ mit „Mangel“ zu assoziieren, erscheint die Standardbezeichnung für Elektronenladungen rückständig. Aus diesem Grund entschieden sich viele Ingenieure, das alte Konzept der Elektrizität mit „positiv“ für einen Ladungsüberschuss beizubehalten und den Ladungsfluss (Strom) entsprechend zu kennzeichnen. Dies wurde als konventioneller Fluss bekannt Schreibweise:

Elektronenfluss-Notation

Andere wählten den Ladungsfluss entsprechend der tatsächlichen Bewegung von Elektronen in einem Stromkreis. Diese Form der Symbolik wurde als Elektronenfluss bekannt Schreibweise:

In konventioneller Flussnotation zeigen wir die Ladungsbewegung nach den (technisch falschen) Bezeichnungen von + und -. Auf diese Weise machen die Beschriftungen Sinn, aber die Richtung des Ladungsflusses ist falsch. In der Elektronenfluss-Notation verfolgen wir die tatsächliche Bewegung der Elektronen im Stromkreis, aber die Markierungen + und – scheinen rückwärts zu sein. Spielt es wirklich eine Rolle, wie wir den Ladungsfluss in einer Schaltung bezeichnen? Nicht wirklich, solange wir unsere Symbole konsequent verwenden. Bei der Schaltungsanalyse können Sie einer gedachten Stromrichtung (konventioneller Fluss) oder der tatsächlichen (Elektronenfluss) mit gleichem Erfolg folgen. Konzepte von Spannung, Strom, Widerstand, Kontinuität und sogar mathematische Behandlungen wie das Ohmsche Gesetz (Kapitel 2) und die Kirchhoff-Gesetze (Kapitel 6) bleiben bei beiden Schreibweisen genauso gültig.

Herkömmliche Flussnotation vs. Elektronenflussnotation

Sie werden die konventionelle Flussnotation finden, der von den meisten Elektroingenieuren gefolgt und in den meisten technischen Lehrbüchern illustriert wird. Elektronenfluss wird am häufigsten in einführenden Lehrbüchern (dieses entfernt sich jedoch davon) und in den Schriften professioneller Wissenschaftler, insbesondere Festkörperphysiker, die sich mit der tatsächlichen Bewegung von Elektronen in Stoffen befassen, gesehen. Diese Präferenzen sind kulturell in dem Sinne, dass bestimmte Personengruppen es als vorteilhaft empfanden, sich die Bewegung des elektrischen Stroms auf bestimmte Weise vorzustellen. Da die meisten Analysen elektrischer Schaltungen nicht auf eine technisch genaue Darstellung des Ladungsflusses angewiesen sind, ist die Wahl zwischen konventioneller Flussnotation und Elektronenflussnotation willkürlich . . . fast.

Polarisation und Nichtpolarisation

Viele elektrische Geräte tolerieren reale Ströme beider Richtungen ohne Unterschied im Betrieb. Glühlampen (der Typ, der einen dünnen Metallfaden verwendet, der bei ausreichendem Strom weißglühend leuchtet) beispielsweise erzeugen Licht mit gleicher Effizienz unabhängig von der Stromrichtung. Sie funktionieren sogar gut bei Wechselstrom (AC), bei dem sich die Richtung im Laufe der Zeit schnell ändert. Leiter und Schalter arbeiten auch unabhängig von der Stromrichtung. Der Fachbegriff für diese Irrelevanz des Ladungsflusses lautet Nichtpolarisation . Wir könnten also sagen, dass Glühlampen, Schalter und Drähte unpolarisiert sind Komponenten. Umgekehrt würde jedes Gerät, das bei Strömen unterschiedlicher Richtung anders funktioniert, als polarisiert bezeichnet Gerät.

Es gibt viele solcher polarisierten Vorrichtungen, die in elektrischen Schaltungen verwendet werden. Die meisten von ihnen bestehen aus sogenannten Halbleitern Substanzen und werden als solche erst im dritten Band dieser Buchreihe näher untersucht. Wie Schalter, Lampen und Batterien wird jedes dieser Geräte in einer schematischen Darstellung durch ein einzigartiges Symbol dargestellt. Wie man sich vorstellen kann, enthalten polarisierte Gerätesymbole normalerweise irgendwo einen Pfeil, um eine bevorzugte oder ausschließliche Stromrichtung zu bezeichnen. Hier kommt es wirklich auf die konkurrierenden Notationen von konventionellem und Elektronenfluss an. Da sich Ingenieure vor langer Zeit für den konventionellen Fluss als die Standardnotation ihrer „Kultur“ entschieden haben und weil Ingenieure dieselben Leute sind, die elektrische Geräte und die Symbole erfinden, die sie darstellen, zeigen die Pfeile in den Symbolen dieser Geräte alle in die Richtung des konventionellen Flusses, nicht des Elektronenflusses . Das heißt, alle Symbole dieser Geräte haben Pfeilmarkierungen, die gegen zeigen den tatsächlichen Elektronenfluss durch sie.

Das vielleicht beste Beispiel für ein polarisiertes Gerät ist die Diode . Eine Diode ist ein Einweg-„Ventil“ für elektrischen Strom, analog zu einem Rückschlagventil für diejenigen, die mit Sanitär- und Hydrauliksystemen vertraut sind. Im Idealfall sorgt eine Diode für einen ungehinderten Stromfluss in eine Richtung (geringer oder kein Widerstand), verhindert jedoch einen Fluss in die andere Richtung (unendlicher Widerstand). Sein schematisches Symbol sieht so aus:

In einem Batterie-/Lampenstromkreis platziert, ist seine Funktionsweise wie folgt:

Wenn die Diode in die richtige Richtung zeigt, um Strom zuzulassen, leuchtet die Lampe. Andernfalls blockiert die Diode den Stromfluss wie eine Unterbrechung im Stromkreis und die Lampe leuchtet nicht.

Beschriftet man den Stromkreis in konventioneller Flussschreibweise, so macht das Pfeilsymbol der Diode durchaus Sinn:Die dreieckige Pfeilspitze zeigt in Richtung des Ladungsflusses, von positiv nach negativ:

Auf der anderen Seite, wenn wir die Elektronenfluss-Notation verwenden, um die wahren Richtung der Elektronenbewegung um den Stromkreis, die Pfeilsymbolik der Diode scheint rückwärts:

Allein aus diesem Grund entscheiden sich viele Leute dafür, konventionelle Strömungen zu ihrer bevorzugten Schreibweise zu machen, wenn sie die Richtung der Ladungsbewegung in einem Stromkreis zeichnen. Schon aus anderen Gründen sind die mit Halbleiterbauelementen wie Dioden verbundenen Symbole auf diese Weise sinnvoller. Andere entscheiden sich jedoch dafür, die wahre Richtung der Elektronenbewegung anzuzeigen, um sich nicht selbst sagen zu müssen:„Denken Sie daran, dass die Elektronen eigentlich sind in die andere Richtung bewegen“, wenn die wahre Richtung der Elektronenbewegung ein Problem wird.

Sollten Sie konventionellen Stromfluss oder Elektronenfluss verwenden?

Beide Modelle liefern bei konsequenter Anwendung genaue Ergebnisse und sind insofern „korrekt“, als es sich um Werkzeuge handelt, die uns helfen, elektrische Schaltungen zu verstehen und zu analysieren. Im Kontext der Elektrotechnik ist jedoch konventioneller Strom weitaus verbreiteter. Dieses Lehrbuch verwendet konventionellen Strom, und jeder, der beabsichtigt, Elektronik in einem akademischen oder beruflichen Umfeld zu studieren, sollte lernen, elektrischen Strom auf natürliche Weise als etwas zu betrachten, das von einer höheren Spannung zu einer niedrigeren Spannung fließt.“

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt "Elektronen im Vergleich zu konventioneller Strömung