Направление электрического потока. Диод

"Приятной особенностью большого количества стандартов является то, что есть из чего выбрать"

Эндрю Таненбаум, профессор информатики

Когда Бенджамин Франклин сделал своё предположение относительно направления потока зарядов (из воска в шерсть), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на то, что все знают, что электроны являются составными частями заряда, и что при натирании они переходят из шерсти в воск, а не наоборот. Благодаря именно Франклину говорят что электроны имеют отрицательный заряд, и движется этот заряд, на самом деле, в направлении противоположном тому, которое указал Франклин. Поэтому объекты, которые он назвал "отрицательными" (имеющими недостаток заряда), фактически имеют избыток электронов.  

К тому времени, когда было открыто истинное направление движения потока электронов, обозначения "положительный" и "отрицательный" уже настолько прочно укоренились в научном сообществе, что попытки изменить их даже не предпринимались, хотя, применительно к "избыточному" заряду,  правильно было бы назвать электрон "положительно" заряженным . По большому счету, термины "положительный" и "отрицательный" являются человеческими изобретениями и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами условного языка научных описаний. С такой же легкостью Франклин мог бы назвать избыток заряда "черным", а его недостаток - "белым", в этом случае ученые говорили бы, что электрон имеет "белый" заряд (при условии использования гипотезы Франклина).

Поскольку мы склонны связывать слово "положительный" с "избытком" а слово "отрицательный" с "недостатком", то стандартное обозначение электрического заряда нам кажется противоположным. Благодаря этому, многие инженеры решили сохранить старое понятие электричества, где "положительный" означает избыток заряда, и соответственно обозначается направление движения зарядов (тока). Такое обозначение известно как общепринятое обозначение потока:

Другие инженеры для обозначения потока зарядов выбрали фактическое направление движения электронов в цепи. Такое обозначение известно как обозначение потока электронов:

Общепринятое обозначение потока показывает нам движение заряда в соответствии со знаками + и - (технически неправильно). Применять это обозначение имеет смысл, но направление движения потока зарядов здесь не соответствует действительности. Обозначение потока электронов показывает нам фактическое направление движения электронов в цепи, но знаки + и - выглядят здесь задом наперед. А вообще, имеет ли значение, как мы определяем направление движения потока зарядов в цепи? Не имеет, если мы последовательно используем одно из обозначений. Производя анализ цепи, вы можете с равным успехом использовать любое из этих обозначений. Понятия напряжения, тока, сопротивления, непрерывности, и даже математические методы анализа, такие как законы Ома и Кирхгофа будут действовать как в одном, так и в другом случае.

Как вы можете убедиться, общепринятому обозначению потока следует большинство инженеров-электриков, и оно встречается в большинстве технических учебников. Обозначение потока электронов встречается в учебниках для начинающих и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердых тел, которым важно фактическое движение электронов в веществах. Большинство исследований электрических цепей не зависит от технически точного отображения направления потока зарядов, поэтому выбор между общепринятым обозначением потока и обозначением потока электронов произволен .... почти.

Многие электрические устройства допускают прохождение через них реальных токов любого направления без каких либо различий в работе. Например, лампы накаливания излучают свет одинаково эффективно, независимо от направления тока. Они хорошо работают даже при переменном токе (AC), который с течением времени быстро меняет свое направление. Проводники и выключатели также отлично работают независимо от направления тока. Все вышеперечисленные компоненты (электрическая лампочка, выключатель и провода) называются неполярными. И наоборот, любые устройства, которые по разному реагируют на токи разных направлений, называются полярными.

Существует множество полярных устройств, применяемых в электрических схемах. Основная масса этих устройств изготавливается из так называемых полупроводниковых материалов, и подробно будет рассмотрена нами позже. Каждое из этих устройств (как и выключатели, ламы и батареи) изображается на схеме с помощью уникального символа. Как можно догадаться, символы полярных устройств в своем составе обычно сдержат стрелку для обозначения допустимого направления тока. Вот здесь-то конкуренция обозначений общепринятого потока и потока электронов имеет большое значение. Но, поскольку инженеры уже давно в качестве стандартного используют общепринятое обозначение, и они же изобретают электрические устройства и придумывают для них условные обозначения (символы), то стрелки, используемые в символах этих устройств, показывают направление общепринятого потока. Иными словами, у всех символов таких устройств есть значок стрелки, который указывает против фактического потока электронов.

Лучшим примером полярного устройства может послужить диод, который является односторонним "клапаном" для электрического тока. Принцип его действия аналогичен обратному клапану, используемому в водопроводе и гидравлических системах. В идеале, диод обеспечивает беспрепятственный поток для тока в одном направлении (практически не оказывая ему сопротивления), и препятствует этому потоку в обратном направлении (оказывая ему бесконечное сопротивление). Условное обозначение (символ) диода выглядит следующим образом:

Если мы поместим диод в схему с батареей и лампочкой, то выполняемая им работа будет следующей:

Когда диод стоит в правильном направлении, разрешающем поток, лампочка горит. В противном случае диод блокирует поток электронов аналогично обрыву цепи, и лампочка гореть не будет.

Если мы используем общепринятое обозначение потока в цепи, то стрелка символа диода указывает на направление потока зарядов от положительного контакта к отрицательному:

И наоборот, при использовании обозначения потока электронов, стрелка символа диода направлена против этого потока:

Исходя из вышеизложенного и во избежание путаницы с условными обозначениями электронных компонентов, большинство людей выбирает общепринятое обозначение потока при анализе электрических схем.