„W normach najlepsze jest to, że jest ich tak dużo do wyboru”.
Andrew S. Tanenbaum, profesor informatyki
Kiedy Benjamin Franklin sformułował swoje przypuszczenie na temat kierunku przepływu ładunku (od gładkiego wosku do szorstkiej wełny), stworzył podstawy notacji elektrycznej, którą posługujemy się do dziś. Jednak dziś już wiemy, że jednostkami ładunku są elektrony oraz że po potarciu wełny o wosk, przepływają one od wełny do wosku – nie odwrotnie. W związku z tym mówi się, że elektrony są nośnikiem ładunku ujemnego, ponieważ Franklin założył, że ładunek elektryczny płynie w odwrotnym kierunku niż w rzeczywistości. Tak naprawdę jednak przedmioty nazywane „ujemnymi” (reprezentującymi niedobór ładunku) mają nadwyżkę elektronów.
Zanim odkryto prawdziwy kierunek przepływu elektronów, określenia „dodatni” i ”ujemny” tak bardzo zadomowiły się w nomenklaturze naukowej, że nikt już nie próbował ich zmienić, mimo że o wiele sensowniej byłoby mówić, że elektrony są „dodatnie” w związku z gromadzeniem się „nadmiaru” ładunku. Pojęcia „dodatni” i „ujemny” to ludzkie wynalazki, które poza naszymi konwencjonalnymi ramami naukowymi nie mają oparcia w żadnych absolutnych prawach przyrody. Równie dobrze nadmiar ładunku Franklin mógł nazwać „czarny”, a niedobór „biały” i wówczas naukowcy mówili by o elektronach o „białym” ładunku (zakładając popełnienie tego samego błędu dotyczącego przemiszczania ładunku między woskiem i wełną).
Prąd konwencjonalny
Ponieważ jednak ludziom słowo „dodatni” kojarzy się z „nadwyżką”, a „ujemny” z „niedoborem”, konwencjonalny sposób oznaczania ładunku elektrycznego wydaje się pokazywać coś odwrotnego niż jest w rzeczywistości. Z tego powodu wielu inżynierów postanowiło pozostać przy starej koncepcji elektryczności, w której słowem „dodatni” określa się nadmiar ładunku, i stosują oni odpowiednie oznaczenie kierunku przepływu ładunku (prądu). Ten sposób oznaczania nazywa się kierunkiem konwencjonalnym (prąd konwencjonalny).
Inni wolą oznaczać kierunek przepływu ładunku zgodnie z rzeczywistym kierunkiem przepływu elektronów przez obwód. Ten sposób oznaczania nazywa się kierunkiem przepływu elektronów.
W notacji konwencjonalnej kierunek przepływu elektronów jest oznaczany (technicznie niepoprawnie) za pomocą znaków + i -. Te oznaczenia wyglądają poprawnie, ale nieprawidłowo wskazują kierunek przepływu ładunku. W notacji kierunku przepływu elektronów wskazujemy prawidłowy kierunek ruchu ładunku, ale oznaczenia + i – wydają się ustawione odwrotnie. Czy sposób oznaczania kierunku przepływu ładunku w obwodzie ma znaczenie? Nie, pod warunkiem, że nie mieszamy dwóch różnych notacji. Jeśli chodzi o analizę obwodów elektrycznych, to z równym powodzeniem można zakładać zmyślony (konwencjonalny), jak i rzeczywisty (elektronowy) kierunek przepływu prądu. Dla takich pojęć, jak napięcie, prąd, rezystancja, ciągłość, a nawet matematycznych koncepcji, takich jak prawo Ohma i prawa Kirchhoffa, to nie ma znaczenia.
Większość elektryków i podręczników dla inżynierów posługuje się notacją konwencjonalną. Kierunek przepływu elektronów często można spotkać w podręcznikach wprowadzających (takich jak ten) i tekstach naukowych, szczególnie z dziedziny fizyki ciała stałego, w których rzeczywisty kierunek ruchu elektronów w materiałach jest istotny. Te preferencje mają też charakter kulturowy w tym sensie, że pewne grupy ludzi wolą wyobrażać sobie ruch prądu elektrycznego w określony sposób. W związku z tym, że w większości analiz obwodów elektrycznych dokładny kierunek przepływu ładunku nie ma większego znaczenia, wybór notacji jest arbitralny… Prawie.
Urządzenia spolaryzowane i niespolaryzowane
Wiele urządzeń działa tak samo bez względu na kierunek przepływu prądu. Na przykład żarówki wytwarzają światło z taką samą skutecznością bez względu na to, w którą stronę płyną elektrony. Co więcej, doskonale radzą sobie nawet po podłączeniu do prądu przemiennego (AC), czyli takiego, który zmienia swój kierunek z dużą częstotliwością. Dla przewodników i przełączników kierunek przepływu prądu także nie ma znaczenia. Fachowo taki brak wrażliwości na kierunek przepływu ładunku nazywa się brakiem polaryzacji. Możemy więc powiedzieć, że żarówki, przełączniki i druty to elementy niespolaryzowane. Natomiast urządzenia wrażliwe na kierunek przepływu prądu nazywają się urządzeniami spolaryzowanymi.
W obwodach elektrycznych występuje wiele takich komponentów. Większość z nich jest wykonana z tzw. półprzewodników, których opis znajduje się dopiero w trzecim tomie tej serii podręczników. Każde z tych urządzeń, podobnie jak przełączniki, lampy i baterie, ma specjalny symbol do oznaczania na schematach. Jak można podejrzewać, symbole elementów spolaryzowanych zawierają strzałkę, która wskazuje preferowany lub jedyny dopuszczalny kierunek przepływu prądu. W takich przypadkach wybór notacji do oznaczania kierunku przepływu ładunku ma znaczenie. Ponieważ dawni inżynierowie ustalili, że w ich „kulturze” standardowo będzie przyjmowany konwencjonalny kierunek przepływu prądu oraz ponieważ to inżynierowie wynajdują urządzenia elektryczne i reprezentujące je symbole, strzałki na tych symbolach zawsze wskazują kierunek zgodnie z prądem konwencjonalnym. Innymi słowy strzałki na symbolach tych urządzeń wskazują kierunek przeciwny do rzeczywistego kierunku przepływu przez nie elektronów.
Dioda
Świetnym przykładem urządzenia spolaryzowanego jest dioda. Dioda to jednokierunkowy „zawór” prądu elektrycznego, analogiczny do zaworu przeciwzwrotnego w układach hydraulicznych. Idealna dioda w ogóle nie ogranicza przepływu prądu w jednym kierunku (stawia mały lub zerowy opór) i blokuje go całkowicie w drugim (stawia nieskończony opór). Na schemacie oznacza się ją następującym symbolem:
W obwodzie z lampą podłączoną do baterii działałaby następująco:
Kiedy dioda jest podłączona w sposób umożliwiający przepływ prądu, lampa świeci. W przeciwnym przypadku dioda blokuje przepływ elektronów jak przełącznik i lampa nie świeci.
Jeśli oznaczenia na schemacie obwodu wskazują konwencjonalny kierunek przepływu prądu, strzałka na diodzie ma sens, ponieważ wskazuje kierunek przepływu ładunku od dodatniego do ujemnego:
Jeśli natomiast posłużymy się notacją wskazującą rzeczywisty kierunek przepływu elektronów w obwodzie, strzałka diody będzie wskazywać kierunek odwrotny.
Z samego tego powodu wielu wybiera oznaczenie konwencjonalne przy określaniu kierunku ruchu ładunku w obwodzie. Wtedy przynajmniej strzałki na elementach półprzewodnikowych zgadzają się z resztą oznaczeń. Inni jednak wolą pokazać rzeczywisty kierunek przepływu elektronów, aby nie musieć ciągle pamiętać, że elektrony tak naprawdę płyną w innym kierunku, gdy z jakiegoś powodu stanie się to istotne.
Oznaczanie kierunku przepływu elektronów
W tej serii podręczników konsekwentnie oznaczam rzeczywisty kierunek przepływu elektronów. Co ciekawe, nie taki był mój pierwotny wybór. Kiedy sam się uczyłem, łatwiej mi było korzystać z notacji konwencjonalnej, głównie ze względu na strzałki na symbolach urządzeń półprzewodnikowych. Kiedy później zacząłem formalną naukę elektroniki, wykładowca kazał nam podczas zajęć korzystać z notacji wskazującej rzeczywisty kierunek elektronów. Kazał nam nawet pozmieniać długopisem oznaczenia w podręcznikach (w których na schematach stosowano notację konwencjonalną), aby wskazywały „prawidłowy” kierunek! Nie było to jednak tylko jego widzimisię. Przez 20 lat pracy jako elektronik dla marynarki USA często miał do czynienia ze sprzętem zawierającym lampy próżniowe. Przed nastaniem ery półprzewodników, takich jak tranzystory, do wzmacniania słabych sygnałów elektrycznych używano tzw. lamp próżniowych zwanych też lampami elektronowymi. Działanie tych urządzeń opiera się na wykorzystaniu elektronów przemieszczających się w próżni. Ich ilością steruje się za pomocą napięcia wytwarzanego między metalowymi płytkami i siatkami umieszczonymi na ich drodze. Zasadę działania tych urządzeń najłatwiej jest zrozumieć na podstawie wizualizacji z oznaczeniem rzeczywistego kierunku przepływu elektronów.
Kiedy ukończyłem ten program studiów, wróciłem do starego nawyku posługiwania się notacją konwencjonalną, głównie dlatego, aby ułatwić sobie posługiwanie się symbolami komponentów (lampy próżniowe praktycznie wyszły z użycia poza paroma specjalistycznymi zastosowaniami). Kiedy gromadziłem materiały do napisania tej książki, byłem zdecydowany posługiwać się notacją konwencjonalną.
Kiedy później zostałem nauczycielem elektroniki, zacząłem korzystać z programu studiów opartego na notacji określającej rzeczywisty kierunek przepływu elektronów. Co ciekawe, częściowo miało to związek ze spuścizną mojego starego nauczyciela elektroniki, ale to już inna historia! Nie chcąc mieszać studentom w głowach przez uczenie ich w inny sposób niż pozostali nauczyciele, porzuciłem swój stary nawyk i przyzwyczaiłem się do „notacji elektronowej”. Chcąc napisać książkę przydatną dla moich studentów, zmieniłem, choć niechętnie, plany i skierowałem wszystkie strzałki we „właściwą” stronę. Czasami trzeba odpuścić!
Z drugiej strony przynajmniej odkryłem, że niektórym studentom łatwiej jest zrozumieć zachowania materiałów półprzewodnikowych na podstawie notacji wskazującej rzeczywisty kierunek przepływu elektronów. Nie jest też trudno sobie wyobrazić elektrony płynące przeciwnie do kierunku wskazywanego przez strzałki urządzeń spolaryzowanych. Ostatecznie odkryłem więc, że nie mam problemu z analizą obwodów bez względu na rodzaj zastosowanej notacji. Czasami wciąż zastanawiam się, czy wszystko byłoby prostsze, gdybyśmy cofnęli się do źródła tego całego zamieszania – błędnego założenia Benjamina Franklina – i od początku określali elektrony jako „dodatnie”, a protony jako „ujemne”.