Электроника:Постоянный ток/Основные концепты электричества/Условный ток и поток электронов

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Максим Кузьмин

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Условный ток и поток электронов

«Стандарты хороши тем, что их много, и поэтому всегда есть, из чего выбрать», – Эндрю С. Таненбаум, профессор компьютерных наук.

Положительный и отрицательный заряд электронов

Предположение Бенджамина Франклина о направлении перемещения заряда (от воска к шерсти) укоренилось в терминологии науки об электричестве и сохранилось по сей день даже несмотря на тот факт, что заряд, как выяснилось, состоит из множества подчастиц (единиц заряда, т.е. электронов) и на самом деле переходит не от воска к шерсти, а от шерсти к воску, если потереть два этих материала друг о друга. Именно поэтому говорится, что электроны имеют отрицательный заряд: Франклин посчитал, что электрический заряд движется в направлении, обратном тому, в каком он движется на самом деле, и поэтому объекты, которые мы называем «отрицательно заряженными», в реальности имеют избыток электронов.

К тому моменту, когда исследователи нашли поток электронов, смыслы терминов «положительный» и «отрицательный» настолько упрочились в научном сообществе, что менять их попросту не стали, хотя логичнее было бы назвать «положительными» именно электроны, т.к. они имеют «избыток» заряда. То есть, как видите, термины «положительный» и «отрицательный» – это чисто человеческие изобретения и бессмысленны за пределами мира общепринятых научных формулировок. Франклин точно так же мог придумать для избытка электронов термин «черный», а для недостатка – «белый», в результате чего ученые говорили бы, что электроны имеют «белый» заряд.

Условный ток

Поскольку мы привыкли ассоциировать слово «положительный» с «избытком», а слово «отрицательный» – с «нехваткой», общепринятые названия зарядов кажутся противоречивыми. По этой причине многие инженеры решили придерживаться старой концепции, где термин «положительный» означает «избыток заряда», и согласно этому обозначать направление перемещения заряда по цепи. Этот вариант обозначения стал известен как «условный ток» или «ток условного направления».

Поток электронов

Другие решили обозначать направление электротока согласно тому, в какую сторону электроны движутся по цепи на самом деле. Этот вариант обозначения стал известен как «поток электронов».

При использовании условного тока мы показываем, что заряд движется согласно (технически неправильным) символам «+» и «-». В этом случае символы имеют смысл, но направление движения заряда на самом деле неверное. При использовании потока электронов мы показываем реальное направление движения электронов по цепи, но в этом случае кажется, что символы «+» и «-» перепутаны местами. Но важно ли то, какое именно обозначение мы используем? Если мы последовательно придерживаемся использования выбранного типа обозначения, то нет. Если речь об анализе электроцепей, то вы можете с одинаковым успехом использовать и исторически сложившееся (условный ток), и реальное (поток электронов) направление движения заряда. Концепции напряжения, электротока, сопротивления, непрерывности и даже такие математические конструкции как закон Ома и правила Кирхгофа сохраняют работоспособность при использовании любого из этих типов обозначений.

Условный ток против потока электронов

Вариант «условный ток» используется большинством инженеров-электриков и в большинстве инженерных учебников. Вариант «поток электронов» чаще всего встречается в ознакомительно-учебных материалах об электротехнике (наше руководство – исключение) и в работах профессиональных ученых – особенно тех, кто работает в области физики твердых тел, поскольку они, собственно, исследуют перемещение электронов в различных веществах. Эти предпочтения имеют скорее культурную основу в том смысле, что разные группы людей посчитали, что им предпочтительнее видеть направление движения заряда тем или иным способом. Поскольку анализ электроцепей по большей части не зависит от точного обозначения того, в каком направлении движется заряд, выбор между условным током и потоком электронов остается на усмотрение специалиста... почти.

Полярные и неполярные устройства

Для работы многих электрических устройств неважно, в каком направлении движется электроток. Лампы накаливания (в них используется тонкая металлическая спираль, которая раскаляется добела, если через нее проходит электроток достаточной величины), например, генерируют свет одинаковой интенсивности независимо от направления движения тока. Они отлично работают даже на переменном токе (это тип тока, направление которого часто меняется). Кроме того, независимо от направления тока функционируют проводники и переключатели. Устройства и компоненты, для работы которых не важно направление электротока – вроде ламп накаливания, переключателей и проводов – называются «неполярными». Аналогично устройства, которые работают по-разному в зависимости от направления электротока, называются «полярными».

В электроцепях используется много разных полярных устройств. Большинство из них изготавливаются из так называемых «полупроводниковых» материалов (более подробно о них будет рассказано позднее). Как и переключатели, лампы и батареи, каждое из этих устройств рисуется на схеме с помощью уникального символа. В символах полярных устройств, как правило, есть стрелочка, указывающая предпочитаемое или требуемое направление электротока. Именно здесь важно, какой метод обозначения направления тока используется в схеме. Поскольку инженеры испокон веков пользуются условным током и, более того, считают это обозначение частью своей «культуры», и поскольку инженеры – это те же самые люди, что изобретают электрические устройства и их символы, стрелочки в этих символах всегда смотрят в направлении движения условного тока, а не потока электронов. Другими словами, стрелки на всех символах этих устройств смотрят в сторону, противоположную направлению, в котором действительно движутся электроны.

Возможно, наилучший пример полярного устройства – это диод. Это односторонний «клапан» для электрического тока, похожий на «обратный клапан» (если вы знакомы с водопроводными и гидравлическими системами).

Теоретически диод пропускает ток, идущий в одном направлении (без сопротивления или с небольшим сопротивлением), но не пропускает ток, идущий в противоположном направлении (бесконечное сопротивление). На схемах диод выглядит вот так:

Если поместить его в цепь с батареей/лампой, он будет работать вот так:

Когда диод подключен так, что пропускает электроток, лампа будет гореть. Но если диод подключен так, что не пропускает электроток, в цепи получается разрыв, и лампа гореть не будет.

Если мы пометим на схеме, что используем условный ток, символ диода со стрелкой будет смотреться как нельзя кстати, т.к. эта стрелка смотрит как раз в том направлении, в котором якобы движется электроток – от положительного полюса к отрицательному.

С другой стороны, если мы пометим на схеме, что используем обозначение «поток электронов», чтобы показать, в каком направлении действительно движется электроток, то стрелка диода будет словно бы плыть против ветра.

Лишь по одной этой причине многие люди используют именно условный ток, чтобы показать направление электротока по цепи. Просто благодаря этому символы полупроводниковых компонентов (вроде диодов) смотрятся на схеме гораздо более логично. Впрочем, некоторые решают показать реальное направление перемещения электронов, чтобы, глядя на схему, не напоминать себе постоянно: «На самом деле электроны движутся в совсем другую сторону!», когда во время работы встанет вопрос о реальном направлении движения тока.

Так какое обозначение использовать – условный ток или поток электронов?

Оба варианта дают одинаково точные результаты, но для этого выбранное обозначение нужно использовать всегда. Они одинаково «корректны», т.к. оба – инструменты, помогающие нам понимать и анализировать электрические цепи. Но в электротехнике больше распространено обозначение «условный ток». То же самое касается и этого руководства, и любой, кто собирается изучать электротехнику – либо в научных, либо в инженерных целях – должен научиться думать об электротоке как о том, что перемещается от более высокого напряжения к более низкому напряжению.