от минуса к плюсу или наоборот?

Все мы хорошо знаем, что электричество представляет собой направленный поток заряженных частиц в результате воздействия электрического поля. Это вам скажет любой школьник. А вот вопрос о том, каково направление тока и куда деваются эти самые частицы, многих может поставить в тупик.

Суть вопроса

Как известно, в проводнике электричество переносят электроны, в электролитах – катионы и анионы (или попросту ионы), в полупроводниках электроны работают с так называемыми «дырками», в газах – ионы с электронами. От наличия свободных элементарных частиц в том или ином материале и зависит его электропроводность. При отсутствии электрического поля в металлическом проводнике ток идти не будет. Но как только на двух его участках возникнет разность потенциалов, т.е. появится напряжение, в движении электронов прекратится хаос и наступит порядок: они начнут отталкиваться от минуса и направятся в сторону плюса. Казалось бы, вот и ответ на вопрос «Каково направление тока?». Но не тут-то было. Достаточно заглянуть в энциклопедический словарь или просто в любой учебник по физике, как сразу станет заметно некое противоречие. Там говорится, что условно словосочетание «направление тока» обозначает направленное движение положительных зарядов, другими словами: от плюса к минусу. Как быть с этим утверждением? Ведь здесь невооруженным глазом заметно противоречие!

Сила привычки

Когда люди научились составлять цепь постоянного тока, они еще не знали о существовании электрона. Тем более, в то время не подозревали что он движется от минуса к плюсу. Когда Ампер предложил в первой половине 19-го столетия направление тока от плюса к минусу, все восприняли это как должное и это решение никто не стал оспаривать. Прошло 70 лет, пока люди не выяснили, что ток в металлах происходит благодаря движениям электронов. А когда они это поняли (это случилось в 1916 году), все настолько привыкли к сделанному Ампером выбору, что уже не стали ничего менять.

«Золотая середина»

В электролитах отрицательно заряженные частицы движутся к катоду, а положительные — к аноду. То же самое происходит и в газах. Если подумать, какое направление тока будет в этом случае, в голову приходит только один вариант: перемещение разнополярных электрических зарядов в замкнутой цепи происходит навстречу друг другу. Если принять это утверждение за основу, то оно снимет существующее ныне противоречие. Возможно, это вызовет удивление, но еще более 70 лет назад ученые получили документальные подтверждения того, что противоположные по знаку электрические заряды в проводящей среде действительно движутся друг другу навстречу. Данное утверждение будет справедливо для любого проводника вне зависимости от его типа: металла, газа, электролита, полупроводника. Как бы там ни было, остается надеяться, что со временем физики устранят путаницу в терминологии и примут однозначное определение того, что же все-таки такое направление движения тока. Привычку, конечно, менять сложно, но ведь нужно же наконец поставить все на свои места.

Постоянный электрический ток. Направление тока, формула — материал для подготовки к Единому государственному экзамену по физике

Чтобы проводник проводил постоянный ток, он должен быть неподвижным (т. е. постоянная и не зависящая от времени) электрическое поле. Другими словами, между концами проводника должна поддерживаться постоянная разность потенциалов.

Содержание

Постоянный электрический ток

Электричество обеспечивает комфорт современной жизни. Технологический прогресс цивилизации – энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь – все это основано на использовании электрического тока.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, которое переносит заряд из одной области пространства в другую.

Электрический ток может генерироваться в различных средах: твердых телах, жидкостях и газах. Иногда вам даже не нужна среда – электричество может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в будущем, а пока приведем лишь несколько примеров.

– Заблокируйте клеммы аккумулятора металлической проволокой. Свободные электроны из провода начнут направленное движение от минусовой стороны батареи к плюсовой.
Это пример электричества в металлах.

– Положите щепотку поваренной соли в стакан воды. Молекулы соли будут диссоциировать на ионы, так что в растворе появятся положительные ионы и отрицательные ионы. Теперь опустите в воду два электрода, подключенных к клеммам аккумулятора. Ионы начнут двигаться к отрицательному электроду, а ионы – к положительному.
Это пример тока, протекающего через раствор электролита.

– Облака молний создают настолько сильные электрические поля, что их можно пронзить через промежуток в несколько километров в воздухе. В результате через воздух проходит гигантский разряд – молния.
Это пример электрического тока в газе.

Во всех трех примерах электрический ток вызван движением заряженных частиц внутри тела и называется ток проводимости.

– Вот несколько иной пример. Пусть мы перемещаем заряженное тело в пространстве. Эта ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов присутствует, перенос зарядов в пространстве присутствует. Ток, возникающий в результате макроскопического движения заряженного тела, называется конвекция.

Обратите внимание, что не любое движение заряженных частиц создает ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов в проводнике не является направленным (оно идет в любом направлении) и поэтому не является током (когда есть ток, свободные заряды все еще совершают тепловое движение! В этом случае хаотическое движение заряженных частиц просто дополняется их упорядоченным дрейфом в определенном
направление).
Движение вперед электрически нейтрального тела также не будет током: хотя заряженные частицы в его атомах совершают направленное движение, переноса заряда из одной области пространства в другую не происходит.

Несмотря на некоторые неудобства, этот принцип позволяет понять, что принимается за направление электрического тока и куда он течет.

Направление электрического тока

Важно понимать, что электрический ток вызывает не любое движение заряженных частиц. Под воздействием тепла электроны также начинают двигаться, но их движение хаотично и не имеет определенного направления. Если к тепловому воздействию на проводник добавить электрическое поле, то электроны начинают двигаться в определенном направлении.

Направление, в котором движутся частицы, составляющие электрический ток, зависит от их заряда:

• положительные частицы переходят от “плюса” к “минусу”;
• Отрицательные частицы движутся от отрицательных к положительным.

Противоположное движение молекул наблюдается в электролитических растворах и газах. Поэтому очень важно точно установить истинное направление тока в цепи. Поэтому было решено, что движение положительных частиц происходит в направлении электрического тока

. Однако это утверждение не совпадает с реальностью, когда речь идет о металлических проводниках.

Факт, что перенос заряда в них обусловлен движением отрицательно заряженных электронов. Однако мы точно знаем, что они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. В этом случае мы должны учитывать, что направление тока противоположно движению заряженных частиц.

Несмотря на некоторые неудобства, этот принцип позволяет понять, что предполагается направлением электрического тока и куда он течет.

Исторически сложилось так, что направление электрического тока предполагается от “плюса” к “минусу”, т.е. от положительного электрода к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, которые являются единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительному. Поэтому фактическое направление тока противоположно предполагаемому.

Направление электрического тока

Обычно предполагается, что направление электрического тока – от плюса к минусу со стороны генератора или источника энергии, и предполагается, что он течет в металлических проводниках. Однако I возникает не только в проводниках, но и в газах и жидкостях. Атомы металла связаны друг с другом в прочную кристаллическую решетку, поэтому только свободные электроны могут свободно перемещаться; ионы остаются неподвижными. Атомы в газах и жидкостях могут свободно перемещаться, потому что у них нет прочных связей. Поэтому носителями заряда являются ионы и электроны.

Поэтому при определении тока I В газах и жидкостях следует учитывать сумму положительных и отрицательных зарядов, прошедших через площадь поперечного сечения за единицу времени. Например, в металлическом проводнике I = 1 Аесли за одну секунду через проводник протекает 6,28 18 эл-онов (1 кулон).

Один ампер в газе или жидкости может произвести 3,14 18 эл-нов (0,5 Cl) и столько же положительных ионов (еще 0,5 Cl). Если ион имеет вдвое больший заряд, чем ион el-, то для производства одного ампера требуется вдвое меньше ионов.

Направление электрического тока в проводниках

Исторически сложилось так, что направление электрического тока предполагается от “плюса” к “минусу”, т. е. от положительного электрода к отрицательному электроду источника питания. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, которые являются единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительному. Поэтому фактическое направление тока противоположно предполагаемому.

Это направление было предложено Бенджамином Франклином при отсутствии в то время знаний о природе носителей электрического заряда в проводниках. На стодолларовой купюре можно увидеть портрет Бенджамина Франклина.

Направление электрического тока в газах и жидкостях

В газах и жидкостях электрический ток может течь от плюса к минусу, согласно традиционному мнению, потому что положительные ионы могут преобладать. Направление не было изменено на “вправо”, потому что оно стало слишком плотным.

При направленном движении заряженные частицы могут также участвовать в тепловом хаотическом движении. Характер движения частиц при протекании электрического тока можно сравнить с явлением конвекции в жидкостях и газах, при котором направленные конвекционные токи сопровождаются беспорядочным движением частиц.

В отсутствие электрического поля свободные электроны в проводниках движутся беспорядочно. Если концы проводника (или провода) подключить к полюсам источника тока, то в проводнике будет протекать электрический ток.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Для того чтобы различные электроприборы – электродвигатели, лампы, плиты и т.д. работали, в них должен возникать электрический ток. Электрические приборы называются ресиверы или потребители энергии. Соединительные кабели используются для доставки электроэнергии от источника питания к потребителю.

Для регулирования протекания электрического тока и включения и выключения потребителей электроэнергии используются различные устройства контроля токаРазъединители, выключатели, автоматические выключатели и другие коммутационные и отключающие устройства.

Источник питания, электрические нагрузки и устройства управления, соединенные проводами, образуют электрическую цепь. электрическая цепь. Чтобы цепь проводила ток, она должна быть замкнута. Разрыв цепи или замена проводящей части цепи на изолятор прекращает протекание тока.

Немецкий профессор Геттингена Г.К. Лихтенберг первым ввел символы для отдельных компонентов электрических цепей. Он дал им практическую цель и использовал их в Своей работе. Благодаря ему математические знаки «+» и «-» использовались для представления электрических зарядов.

НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

До открытия электрона ученые предполагали, что в цепи движутся только положительные заряды. Поэтому общепринятым направлением электрического тока в цепи является направление, в котором движутся (или могут двигаться) положительные заряды в проводнике, то есть направление от положительного полюса источника тока к отрицательному полюсу. Однако это не означает, что положительные заряды движутся во всех проводниках. В одних случаях в проводнике движутся только отрицательные заряды, в других – заряды обоих знаков движутся в противоположных направлениях. Однако определение направленного тока возникло в то время, когда природа электрического тока не была полностью понята.

При направленном движении заряженные частицы могут также участвовать в хаотическом тепловом движении. Природу движения частиц при протекании электрического тока можно сравнить с явлением конвекции в жидкостях и газах, где в направленных конвективных токах наблюдается случайное движение частиц.

В металлических проводниках ток генерируется отрицательно заряженными частицами – электронами электроныкоторые движутся по цепи от отрицательного полюса источника тока к положительному полюсу. Направление тока и направление движения носителей заряда в этом случае противоположны.

Термины “электрический ток” и “направление электрического тока” были введены французским физиком Андре Мари Ампером. Именно он предложил считать направлением электрического тока то направление, в котором движется “положительное электричество”.

Благодаря работам Ампера шаг за шагом росла новая наука – электродинамика, основанная на математической теории экспериментов. В 1826 году Ампер опубликовал работу под названием “Теория электродинамических явлений, выведенная чисто из опыта”.

Ампер также ввел в науку такие термины, как “электростатика”, “электродинамика”, “соленоид”, “электродвижущая сила”, “напряжение”, “гальванометр” и даже “кибернетика”. Он предположил, что, вероятно, возникнет новая наука об общих законах процессов управления, и предложил назвать ее кибернетикой.

Вы уже видели конспект урока по физике для 8-го класса: “Электрические цепи. Направление электрического тока”..

И даже после открытия Томсоном электрона в 1897 году, конвенция о направлении тока все еще существовала. Даже если в проводнике или вакууме действительно движутся только электроны, направление тока все равно принимается за противоположное – от плюса к минусу.

Направление электрического тока

Подключите светодиод к батарее, и если полярность правильная, он будет светиться. В каком направлении будет течь ток? Все знают, что в наши дни это от плюса к минусу. Внутри батареи ток течет от отрицательного заряда к положительному – ток в этой замкнутой цепи постоянен.

Направление тока в цепи принято считать направлением движения положительно заряженных частиц, но в металлах движутся именно электроны, а они, как мы знаем, заряжены отрицательно. Поэтому в действительности термин “направление течения” является условным. Давайте выясним, почему, в то время как электроны текут от минуса к плюсу, все говорят, что ток течет от плюса к минусу. К чему этот бред?

Ответ кроется в истории возникновения электротехники. Когда Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение как движение жидкости, которая как бы перетекает из одного тела в другое. Там, где больше электрической жидкости, она перетекает оттуда в места, где ее меньше.

Франклин называл тела с избытком электрической жидкости (условно!) положительно наэлектризованными, а тела с недостатком электрической жидкости – отрицательно наэлектризованными. Именно отсюда берет начало идея о движении электрических зарядов.

Положительный заряд течет, как по системе сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому.

Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах по электризации трением обнаружил, что заряжаются не только натираемые тела, но и трущиеся, причем заряды обоих тел нейтрализуются при контакте. Оказывается, существует два различных типа электрических зарядов, которые нейтрализуют друг друга при взаимодействии. Теория двух видов электричества была разработана современником Франклина Робертом Симмером, который сам убедился, что в теории Франклина что-то не совсем верно.

Шотландский физик Роберт Симмер носил две пары чулок: одну пару утепленных шерстяных чулок и вторую пару шелковых чулок. Когда он одновременно снял с ноги оба чулка, а затем вытащил один из другого, он наблюдал следующую картину: шерстяной и шелковый чулки раздулись, как бы приняв форму ноги и резко прилипнув друг к другу. В то же время чулки из того же материала, что и шерстяные, и шелковые чулки отталкивали друг друга.

Если Симмер держал в одной руке два шелковых чулка, а в другой – два шерстяных, то, когда он сводил руки вместе, отталкивание чулок из одного материала и притяжение чулок из другого материала приводило к интересному взаимодействию между ними: казалось, что разнородные чулки набрасываются друг на друга и соединяются в клубок.

Наблюдения за поведением собственных чулок привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле есть не одна, а две электрические жидкости, положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в равных количествах.

Когда два тела трутся друг о друга, некоторые из этих жидкостей могут переходить из одного тела в другое, в этом случае в одном теле будет избыток одной из жидкостей, а в другом – ее недостаток. Оба тела наэлектризованы с противоположными знаками электричества.

Тем не менее, электростатические явления можно было успешно объяснить как гипотезой Франклина, так и двухэлектронной гипотезой Симмера. В течение некоторого времени эти теории конкурировали друг с другом.

Однако, когда в 1779 году Алессандро Вольта построил свой вольтов столб, а впоследствии был изучен процесс электролиза, ученые пришли к однозначному выводу, что в растворах и жидкостях действительно движутся два противоположных тока носителей заряда – положительный и отрицательный. Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не всеми понимаемая, продолжала преобладать.

Наконец, в 1820 году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предложил выбрать одно направление заряда в качестве основного направления тока. Это было удобно для него, поскольку Ампер изучал взаимодействие токов и взаимодействие токов с магнитами. И не говоря уже о том, что каждый раз во время общения по одному и тому же проводнику в двух направлениях движутся два тока с противоположными зарядами.

Ампер предложил просто принимать направление положительного электричества за направление тока и все время говорить о направлении тока, имея в виду движение положительного заряда. С тех пор утверждение Ампера о направлении течения получило широкое признание и используется по сей день.

Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма и решил использовать правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока – это направление положительного заряда.

Фарадей в свою очередь отметил, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых однозначно определить направление тока. Ленц, вводя свое правило Ленца (см. Основные законы электротехники), также использовал термин “направление тока” для обозначения положительного движения электрического тока. Это просто удобно.

И даже после открытия Томсоном электрона в 1897 году, конвенция о направлении тока продолжала существовать. Даже если в проводнике или вакууме действительно движутся только электроны, за направление тока все равно принимается противоположное направление – от плюса к минусу.

Спустя более века после открытия электрона, несмотря на ионные представления Фарадея, даже после появления электронных трубок и транзисторов, несмотря на сложность их описания, обычное положение вещей все еще сохраняется.

Просто удобнее работать с токами, перемещаться через их магнитные поля, и это, похоже, не вызывает ни у кого реальных затруднений.

Эти идеи о движении положительных зарядов широко распространилась в научных кругах и вошла в учебники по физике. Следовательно, фактическое направление движения электронов в проводнике противоположно предполагаемому направлению электрического тока.

Общая конструкция электричества

Когда к проводнику прикладывается электрическое поле, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля. Электрический ток.

Движение электронов представляет собой движение отрицательного заряда, поэтому – – -. Электрический ток – это мера количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени.

В международной системе СИ единицей заряда является кулон, а единицей времени – секунда. Поэтому единицей тока является кулон в секунду (Кл/сек).

Измерение тока

Текущая единица Кулон в секунду в системе СИ имеет специальное название Ампер (A) – в честь известного французского ученого Андре-Мари Ампер (на фото в заголовке этой статьи).
Как известно, отрицательный электрический заряд электрона составляет -1,602 – 10 -19 Кулона. Поэтому один кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 – 10 -19 = 6,24 – 10 – 18 электронов.
Поэтому, если 6,24 – 10 – 18 электронов пересекают поперечное сечение проводника за одну секунду, величина этого тока равна одному амперу.

Для измерения тока есть измерительный прибор – амперметр.

Рис. 1

Амперметр подключается к электрической цепи ( Рис. 1 ) последовательно с той частью цепи, сила тока которой должна быть измерена. При подключении амперметра необходимо соблюдать правильную полярность: плюс амперметра подключается к плюсу источника тока, а минус амперметра – к минусу источника тока.

Направление электрического тока

Если схема, показанная на рисунке Рис. 1 Когда выключатель замкнут, в цепи течет электрический ток. Возникает вопрос: “В каком направлении?”.

Мы знаем, что электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц, электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны). Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи перемещаются от минусовой стороны источника к плюсовой стороне (подобные заряды отталкиваются друг от друга, противоположные заряды притягиваются друг к другу), это хорошо видно на примере Рис. 2 .

Учебник физики для восьмого класса дает нам другой ответ: “Направление электрического тока в цепи считается направлением движения положительных зарядов”. – то есть от плюса источника энергии к минусу источника.

Выбор направления тока, направление, противоположное истинномуОднако причины этого несоответствия можно объяснить, если проследить историю электротехники.

Дело в том, чтоИстория электротехники показывает, что электрические заряды изучались задолго до открытия электронов, поэтому природа носителей заряда в металлах еще не была известна.
Понятие положительного и отрицательного заряда было введено американским ученым и политиком Бенджамином Франклином.

В своей работе “Опыты и наблюдения над электричеством” (1747) Франклин попытался теоретически объяснить электрические явления. Он первым сделал ключевое предположение об атомной, “зернистой” природе электричества: “Электрическая материя состоит из частиц, которые должны быть чрезвычайно мелкими».

Франклин считал.что тело, накапливающее электричество, заряжено положительно, а тело, теряющее электричество, заряжено отрицательно. Когда они соединены, избыточный положительный заряд перетекает туда, где его не хватает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с соединенным сосудом).

Эти идеи о движении положительных зарядов получили широкое распространение в научных кругах и вошли в учебники по физике. Следовательно, фактическое направление движения электронов в проводнике противоположно предполагаемому направлению электрического тока.

После открытия электрона. Ученые решили оставить все как есть, потому что многое пришлось бы изменить (и не только в учебниках), чтобы дать истинное направление течения. Это также связано с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют один и тот же контракт.
Истинное направление электронов используется только при необходимости объяснить некоторые физические эффекты в полупроводниковых устройствах (диодах, транзисторах, тиристорах и т.д.).

Читайте далее:

• Многоликий протон.
• Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Куда течет электричество; Сайт для электриков – статьи, советы, примеры, схемы.
• Как и откуда берутся молнии: типы, физическая природа, причины. Физика атмосферы.
• История молниезащиты (громоотвода), первые изобретения в области молниезащиты; Школа для электриков: электротехника и электроника.
• Электричество в газах.

Заметки о текущей схеме электронного урока 4

1 апреля 2019 г. By Øyvind Nydal Dahl 74 комментариев

Эти заметки взяты из Урока 4 моего бесплатного курса электронной почты. Вы знаете кого-нибудь еще, кто хотел бы изучать электронику? Пожалуйста, поделитесь с ними этой ссылкой.

Ниже вы можете увидеть схему, о которой мы сейчас говорим.

Резистор и конденсатор слева от преобразователя образуют RC-элемент задержки:

Но как протекает ток в этой цепи?

Если вы попытаетесь следовать текущему потоку, вы можете в конечном итоге почесать голову.

Во-первых, вам нужно знать одну важную вещь:

Инвертор на самом деле имеет соединения с плюсом и минусом. Для упрощения они обычно скрыты на принципиальных схемах. Просто нужно знать, что они есть.

Это означает, что это не так просто, как «то, что входит, должно выходить», поскольку ток может течь и от плюса, и от минуса.

Но при наличии логических вентилей следует помнить одну важную вещь:

На вход не поступает ток.

И вы можете думать о выходе как о соединении напрямую с плюсом (если он равен 1) или с минусом (если он равен 0).

Это означает, что мы можем смотреть на левую и правую сторону инвертора по отдельности.

Ток с правой стороны

Правая сторона инвертора проста:

Если инвертор выводит 1, токи текут вниз от выхода инвертора, через резистор и светодиод, вниз к минусу.

Если выход инвертора равен 0, ток с правой стороны не течет.

Течение тока с левой стороны

Левая сторона инвертора требует большей концентрации.

Но помните наше правило:

Ток всегда течет от более высокого напряжения к более низкому, если есть путь для тока.

Когда вы переключаете переключатель с 0 на 1, левая сторона переключателя подключается к плюсу. Конденсатор в настоящее время разряжен, поэтому на нем 0 вольт. Это означает, что есть путь от плюса через резистор и конденсатор к минусу, поэтому будет течь ток.

Когда конденсатор полностью заряжен, он больше не пропускает через себя ток. Таким образом, текущий поток останавливается.

«Полностью заряжен» означает, что напряжение на нем достигло напряжения, которым он заряжается.

Когда вы снова переключите переключатель с 1 на 0, вы увидите, куда течет ток?

Прежде чем ответить на этот вопрос, вот важный факт: Конденсатор всегда будет разряжаться в направлении, противоположном тому, в котором он был заряжен!

Похоже, ток течет в обратном направлении..!

Но, как вы теперь понимаете, ток просто течет от более высокого напряжения к более низкому. Если напряжения меняются — а это происходит часто — ток перенаправляется с нового «высокого» на новый «низкий».

Теперь у вас есть положительное напряжение на конденсаторе. Выключатель подключен к 0 вольт. А есть путь от конденсатора, через резистор и вниз к минусу через коммутатор. Так что ток будет течь здесь.

Ток течет до тех пор, пока конденсатор полностью не разрядится (т. е. напряжение на конденсаторе больше не исчезнет), что приведет к тому же напряжению (т. е. нулю), что и минус батареи.

Рубрики: Без категорий

Как работают диоды и светодиоды?

Узнайте, как работает диод для управления потоком электрического тока в цепи с использованием полупроводников n-типа и p-типа.

Пришло время повысить уровень своих знаний и перейти от простых пассивных компонентов к области полупроводниковых компонентов. Эти детали оживают, когда их подключают к электрической цепи, и они могут разными способами манипулировать электричеством. Вам предстоит работать с двумя полупроводниковыми компонентами: диодом и транзистором. Сегодня мы поговорим о диоде, печально известном регуляторе, который позволяет электричеству течь только в одном направлении! Если вы видели светодиод в действии, вы уже далеко впереди. Давайте начнем.

Управление потоком

Диод хорошо известен своей способностью управлять потоком электрического тока в цепи. В отличие от пассивных компонентов, которые сидят сложа руки, сопротивляясь или накапливая, диоды активно держат руку на пульсе приливов и отливов тока, когда он течет по нашим устройствам. Есть два способа описать, как ток будет или не будет течь через диод:

1. Прямое смещение: Когда вы правильно вставите батарею в цепь, ток будет протекать через диод; это называется смещенным вперед состоянием.
2. Обратное смещение: Когда вы вставляете батарею в цепь в обратном направлении, ваш диод блокирует протекание любого тока, что называется состоянием с обратным смещением.

Простой способ визуализировать разницу между состояниями диода с прямым и обратным смещением в простой схеме

Хотя эти два термина могут показаться слишком сложными, подумайте о диоде как о переключателе. Он либо закрыт (включен) и через него проходит ток, либо открыт (выключен), и ток через него не проходит.

Полярность диода и символы

Диоды

являются поляризованными компонентами, что означает, что они имеют очень специфическую ориентацию, которую необходимо подключить в цепь для правильной работы. На физическом диоде вы заметите две клеммы, выходящие из консервной банки посередине. Одна сторона — это положительный полюс, называемый анодом. Другая клемма является отрицательным концом, называемым катодом . Ток в диоде может двигаться только от анода к катоду, а не наоборот.

Вы можете определить катодную сторону физического диода, посмотрев на серебряную полоску рядом с одной из клемм. (Источник изображения)

На схеме легко найти диод. Просто найдите большую стрелку с линией, проходящей через нее, как показано ниже. У некоторых диодов и анод, и катод отмечены как положительные и отрицательные, но простой способ запомнить, как протекает ток в диоде, — это следовать направлению стрелки.

Стрелка на символе диода указывает направление тока.

В настоящее время большинство диодов изготавливаются из двух самых популярных полупроводниковых материалов в электронике — кремния или германия. Если вы что-нибудь знаете о полупроводниках, то вы знаете, что ни один из этих элементов не проводит электричество в своем естественном состоянии. Так как же заставить электричество течь через кремний или германий? С помощью маленького волшебного трюка под названием допинг.

Легирование полупроводников

Полупроводниковые элементы странные. Возьмем, к примеру, кремний. Это изолятор днем. Однако, если вы добавите к нему примеси с помощью процесса, называемого легированием, вы наделите его магической способностью проводить электричество ночью.

Из-за их двойных свойств изолятора и проводника полупроводники нашли свою идеальную нишу в компонентах, которые должны управлять потоком электрического тока в виде диодов и транзисторов. Вот как протекает процесс легирования типичного куска кремния:

1. Во-первых, кремний выращивают в строго контролируемой лабораторной среде. Это называется чистой комнатой, то есть в ней нет пыли и других загрязнений.
2. Поскольку кремний вырос, пришло время его легировать. Этот процесс может идти одним из двух путей. Первый заключается в легировании кремния сурьмой, что дает ему несколько дополнительных электронов и позволяет кремнию проводить электричество. Это называется кремнием n-типа или отрицательным типом, потому что в нем больше отрицательных электронов, чем обычно.
3. Вы также можете легировать кремний в обратном порядке. Добавление бора к кремнию удаляет электроны из атома кремния, оставляя пустые дыры там, где должны быть электроны. Это называется кремнием p-типа или положительного типа.
4. Теперь, когда ваши кусочки кремния легированы как положительно, так и отрицательно, вы можете собрать их вместе. Соединяя кремний n-типа и p-типа вместе, вы создаете соединение.

Пример

Допустим, вы соединили кремний n-типа и p-типа вместе, а затем подключили батарею, создав цепь. Что случится?

В этом случае отрицательная клемма соединяется с кремнием n-типа, а положительная клемма соединяется с кремнием p-типа. А ничейная территория между двумя кусками кремния? Ну, он начинает сжиматься, и начинает течь электрический ток! Это состояние диода с прямым смещением, которое мы обсуждали вначале.

Предположим, вы подсоединили аккумулятор наоборот, с отрицательным полюсом, подключенным к кремнию p-типа, и положительным полюсом, подключенным к кремнию n-типа. Здесь происходит то, что нейтральная полоса между двумя кусками кремния становится шире, и ток вообще не течет. Это состояние с обратным смещением, которое может принимать диод.

Подсоедините аккумулятор в непреднамеренном направлении, и ваш диод остановит протекание тока между n-типом и p-типом. (Источник изображения)

Прямое напряжение и поломки

Когда вы работаете с диодами, вы узнаете, что для того, чтобы один из них пропускал ток, требуется определенное количество положительного напряжения. Напряжение, необходимое для включения диода, называется прямым напряжением (VF). Вы также можете увидеть, что это называется напряжением включения или напряжением включения.

Чем определяется это прямое напряжение? Полупроводниковый материал и типа . Вот как это разбивается:

• Кремниевые диоды. Использование диода на основе кремния потребует прямого напряжения от 0,6 до 1 В.
• Германиевые диоды. При использовании диода на основе германия потребуется более низкое прямое напряжение, около 0,3 В.
• Другие диоды. Для специализированных диодов, таких как светодиоды, требуется более высокое прямое напряжение, тогда как для диодов Шоттки (см. ниже) требуется более низкое прямое напряжение. Лучше всего проверить техническое описание вашего конкретного диода, чтобы определить его номинальное прямое напряжение.

Я знаю, что мы говорили о диодах, пропускающих ток только в одном направлении, но вы можете нарушить это правило. Если вы приложите огромное отрицательное напряжение к диоду, то вы сможете изменить направление его тока!

Конкретная величина напряжения, которая вызывает возникновение этого обратного потока, называется напряжением пробоя . Напряжение пробоя v для обычных диодов составляет от -50В до -100В. Некоторые специализированные диоды могут даже работать при этом отрицательном напряжении пробоя, о котором мы поговорим позже.

Распаковка семейства диодов

Существует множество диодов, каждый со своими особыми способностями. И хотя каждый из них имеет общую основу для ограничения потока тока, вы можете использовать эту общую основу для создания множества различных применений. Давайте проверим каждого члена семейства диодов!

Стандартные диоды

Ваш средний диод. Стандартные диоды имеют умеренные требования к напряжению и низкий максимальный номинальный ток.

Стандартный повседневный диод, доступный в Digi-Key, обратите внимание на серебряную полоску, которая отмечает конец катода. (Источник изображения)

Диоды выпрямителя

Это более мощные братья и сестры стандартных диодов и имеют более высокий максимальный номинальный ток и прямое напряжение. В основном они используются в источниках питания.

Более мощные аналоги стандартного диода, разница заключается в большем номинальном токе и прямом напряжении.

Диоды Шоттки

Это причудливый родственник семейства диодов. Диод Шоттки пригодится, когда вам нужно ограничить потери напряжения в вашей цепи. Вы можете идентифицировать диод Шоттки на схеме, найдя типичный символ диода, добавив два новых изгиба (форма «S») на выводе катода.

Найдите изгиб на катодном конце диода, чтобы быстро идентифицировать его как диод Шоттки.

Стабилитроны

Зенеровские диоды являются паршивой овцой в семействе диодов. Они посылают электрический ток в противоположном направлении! Они делают это, используя напряжение пробоя, о котором говорилось выше, также называемое пробоем Зенера. Используя эту пробойную способность, стабилитроны отлично подходят для создания стабильного опорного напряжения в определенном месте цепи.

Зенеровский диод разительно отличается от остальных диодов семейства и может передавать ток от катода к аноду. (Источник изображения)

Фотодиоды

Photodiodes — мятежные подростки в семействе диодов. Вместо того, чтобы просто пропускать ток через цепь, фотодиоды улавливают энергию источника света и превращают ее в электрический ток. Вы найдете их для использования в солнечных панелях и оптической связи.

Фотодиоды поглощают энергию света и превращают ее в электрический ток. (Источник изображения)

Светоизлучающие диоды (СИД)

Светодиоды

— это сияющие звезды семейства диодов. Как и стандартные диоды, светодиоды позволяют току течь только в одном направлении, но с изгибом! Когда подается правильное прямое напряжение, эти светодиоды загораются яркими цветами. Однако есть загвоздка в том, что определенные цвета светодиода требуют разных прямых напряжений. Например, для синего светодиода требуется прямое напряжение 3,3 В, тогда как для красного светодиода требуется всего 2,2 В, чтобы он начал светиться.

Что делает эти светодиоды такими популярными?

• Эффективность: светодиодов излучают свет электронным способом, не выделяя тонны тепла, как традиционные лампы накаливания. Это позволяет им экономить тонну энергии.
• Управление: светодиодами также очень легко управлять в электронной схеме. Пока перед ними стоит резистор, они должны работать!
• Недорого: светодиоды очень доступны по цене и долговечны. Вот почему вы обнаружите, что они так часто используются в сигналах светофора, дисплеях и инфракрасных сигналах.

Светодиоды бывают разных форм и цветов, для каждого из которых требуется разное прямое напряжение ! (Источник изображения)

Три наиболее распространенных применения диодов

Поскольку диоды бывают разных форм, размеров и конфигураций, их использование в наших электронных схемах столь же богато! Вот лишь несколько вариантов использования диодов:

1.

Преобразование переменного тока в постоянный

Процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) может осуществляться только с помощью диодов! Этот процесс выпрямления (преобразования) тока позволяет вам подключать всю вашу повседневную электронику постоянного тока к настенной розетке переменного тока в вашем доме. Существует два типа приложений преобразования, в которых диод играет свою роль:

• Полуволновое выпрямление. Для этого преобразования требуется только один диод. Если вы посылаете сигнал переменного тока в цепь, ваш единственный диод отсекает отрицательную часть сигнала, оставляя только положительный вход в виде волны постоянного тока.
   

   

Одиночный диод в схеме однополупериодного выпрямителя, отсекающий отрицательный конец сигнала переменного тока. (Источник изображения)

• Полноволновое мостовое выпрямление . В этом процессе преобразования используются четыре диода. И вместо того, чтобы просто отсекать отрицательную часть сигнала переменного тока, как в однополупериодном выпрямителе, этот процесс преобразует все отрицательные волны в сигнале переменного тока в положительные волны для сигнала, готового к постоянному току.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель идет еще дальше, преобразуя весь положительный и отрицательный сигнал переменного тока в постоянный. (Источник изображения)

2. Контроль скачков напряжения

Диоды

также можно использовать в приложениях, где могут возникать неожиданные скачки напряжения. Диоды в этих приложениях могут ограничить любое повреждение, которое может произойти с устройством, поглощая любое избыточное напряжение, попадающее в диапазон напряжения пробоя диода.

3. Защита вашего текущего

Наконец, вы также обнаружите, что диоды могут защищать чувствительные цепи. Если вы когда-нибудь разбивали батарею неправильным образом, и ничего не взрывалось, вы можете поблагодарить свой дружелюбный диод.