1.7. Pr─ůd konwencjonalny

> Dodaj do ulubionych

„W normach najlepsze jest to, ┼╝e jest ich tak du┼╝o do wyboru”.

Andrew S. Tanenbaum, profesor informatyki

Kiedy Benjamin Franklin sformu┼éowa┼é swoje przypuszczenie na temat kierunku przep┼éywu ┼éadunku (od g┼éadkiego wosku do szorstkiej we┼ény), stworzy┼é podstawy notacji elektrycznej, kt├│r─ů pos┼éugujemy si─Ö do dzi┼Ť. Jednak dzi┼Ť ju┼╝ wiemy, ┼╝e jednostkami ┼éadunku s─ů elektrony oraz ┼╝e po potarciu we┼ény o wosk, przep┼éywaj─ů one od we┼ény do wosku – nie odwrotnie. W zwi─ůzku z tym m├│wi si─Ö, ┼╝e elektrony s─ů no┼Ťnikiem ┼éadunku ujemnego, poniewa┼╝ Franklin za┼éo┼╝y┼é, ┼╝e ┼éadunek elektryczny p┼éynie w odwrotnym kierunku ni┼╝ w rzeczywisto┼Ťci. Tak naprawd─Ö jednak przedmioty nazywane „ujemnymi” (reprezentuj─ůcymi niedob├│r ┼éadunku) maj─ů nadwy┼╝k─Ö elektron├│w.

Zanim odkryto prawdziwy kierunek przep┼éywu elektron├│w, okre┼Ťlenia „dodatni” i ”ujemny” tak bardzo zadomowi┼éy si─Ö w nomenklaturze naukowej, ┼╝e nikt ju┼╝ nie pr├│bowa┼é ich zmieni─ç, mimo ┼╝e o wiele sensowniej by┼éoby m├│wi─ç, ┼╝e elektrony s─ů „dodatnie” w zwi─ůzku z gromadzeniem si─Ö „nadmiaru” ┼éadunku. Poj─Öcia „dodatni” i „ujemny” to ludzkie wynalazki, kt├│re poza naszymi konwencjonalnymi ramami naukowymi nie maj─ů oparcia w ┼╝adnych absolutnych prawach przyrody. R├│wnie dobrze nadmiar ┼éadunku Franklin m├│g┼é nazwa─ç „czarny”, a niedob├│r „bia┼éy” i w├│wczas naukowcy m├│wili by o elektronach o „bia┼éym” ┼éadunku (zak┼éadaj─ůc pope┼énienie tego samego b┼é─Ödu dotycz─ůcego przemiszczania ┼éadunku mi─Ödzy woskiem i we┼én─ů).

Pr─ůd konwencjonalny

Poniewa┼╝ jednak ludziom s┼éowo „dodatni” kojarzy si─Ö z „nadwy┼╝k─ů”, a „ujemny” z „niedoborem”, konwencjonalny spos├│b oznaczania ┼éadunku elektrycznego wydaje si─Ö pokazywa─ç co┼Ť odwrotnego ni┼╝ jest w rzeczywisto┼Ťci. Z tego powodu wielu in┼╝ynier├│w postanowi┼éo pozosta─ç przy starej koncepcji elektryczno┼Ťci, w kt├│rej s┼éowem „dodatni” okre┼Ťla si─Ö nadmiar ┼éadunku, i stosuj─ů oni odpowiednie oznaczenie kierunku przep┼éywu ┼éadunku (pr─ůdu). Ten spos├│b oznaczania nazywa si─Ö kierunkiem konwencjonalnym (pr─ůd konwencjonalny).

notacja konwencjonalna

Inni wol─ů oznacza─ç kierunek przep┼éywu ┼éadunku zgodnie z rzeczywistym kierunkiem przep┼éywu elektron├│w przez obw├│d. Ten spos├│b oznaczania nazywa si─Ö kierunkiem przep┼éywu elektron├│w.

rzeczywisty kierunek przepływu elektronów

W notacji konwencjonalnej kierunek przep┼éywu elektron├│w jest oznaczany (technicznie niepoprawnie) za pomoc─ů znak├│w + i -. Te oznaczenia wygl─ůdaj─ů poprawnie, ale nieprawid┼éowo wskazuj─ů kierunek przep┼éywu ┼éadunku. W notacji kierunku przep┼éywu elektron├│w wskazujemy prawid┼éowy kierunek ruchu ┼éadunku, ale oznaczenia + i – wydaj─ů si─Ö ustawione odwrotnie. Czy spos├│b oznaczania kierunku przep┼éywu ┼éadunku w obwodzie ma znaczenie? Nie, pod warunkiem, ┼╝e nie mieszamy dw├│ch r├│┼╝nych notacji. Je┼Ťli chodzi o analiz─Ö obwod├│w elektrycznych, to z r├│wnym powodzeniem mo┼╝na zak┼éada─ç zmy┼Ťlony (konwencjonalny), jak i rzeczywisty (elektronowy) kierunek przep┼éywu pr─ůdu. Dla takich poj─Ö─ç, jak napi─Öcie, pr─ůd, rezystancja, ci─ůg┼éo┼Ť─ç, a nawet matematycznych koncepcji, takich jak prawo Ohma i prawa Kirchhoffa, to nie ma znaczenia.

Wi─Ökszo┼Ť─ç elektryk├│w i podr─Öcznik├│w dla in┼╝ynier├│w pos┼éuguje si─Ö notacj─ů konwencjonaln─ů. Kierunek przep┼éywu elektron├│w cz─Östo mo┼╝na spotka─ç w podr─Öcznikach wprowadzaj─ůcych (takich jak ten) i tekstach naukowych, szczeg├│lnie z dziedziny fizyki cia┼éa sta┼éego, w kt├│rych rzeczywisty kierunek ruchu elektron├│w w materia┼éach jest istotny. Te preferencje maj─ů te┼╝ charakter kulturowy w tym sensie, ┼╝e pewne grupy ludzi wol─ů wyobra┼╝a─ç sobie ruch pr─ůdu elektrycznego w okre┼Ťlony spos├│b. W zwi─ůzku z tym, ┼╝e w wi─Ökszo┼Ťci analiz obwod├│w elektrycznych dok┼éadny kierunek przep┼éywu ┼éadunku nie ma wi─Ökszego znaczenia, wyb├│r notacji jest arbitralny… Prawie.

Urz─ůdzenia spolaryzowane i niespolaryzowane

Wiele urz─ůdze┼ä dzia┼éa tak samo bez wzgl─Ödu na kierunek przep┼éywu pr─ůdu. Na przyk┼éad ┼╝ar├│wki wytwarzaj─ů ┼Ťwiat┼éo z tak─ů sam─ů skuteczno┼Ťci─ů bez wzgl─Ödu na to, w kt├│r─ů stron─Ö p┼éyn─ů elektrony. Co wi─Öcej, doskonale radz─ů sobie nawet po pod┼é─ůczeniu do pr─ůdu przemiennego (AC), czyli takiego, kt├│ry zmienia sw├│j kierunek z du┼╝─ů cz─Östotliwo┼Ťci─ů. Dla przewodnik├│w i prze┼é─ůcznik├│w kierunek przep┼éywu pr─ůdu tak┼╝e nie ma znaczenia. Fachowo taki brak wra┼╝liwo┼Ťci na kierunek przep┼éywu ┼éadunku nazywa si─Ö brakiem polaryzacji. Mo┼╝emy wi─Öc powiedzie─ç, ┼╝e ┼╝ar├│wki, prze┼é─ůczniki i druty to elementy niespolaryzowane. Natomiast urz─ůdzenia wra┼╝liwe na kierunek przep┼éywu pr─ůdu nazywaj─ů si─Ö urz─ůdzeniami spolaryzowanymi.

W obwodach elektrycznych wyst─Öpuje wiele takich komponent├│w. Wi─Ökszo┼Ť─ç z nich jest wykonana z tzw. p├│┼éprzewodnik├│w, kt├│rych opis znajduje si─Ö dopiero w trzecim tomie tej serii podr─Öcznik├│w. Ka┼╝de z tych urz─ůdze┼ä, podobnie jak prze┼é─ůczniki, lampy i baterie, ma specjalny symbol do oznaczania na schematach. Jak mo┼╝na podejrzewa─ç, symbole element├│w spolaryzowanych zawieraj─ů strza┼ék─Ö, kt├│ra wskazuje preferowany lub jedyny dopuszczalny kierunek przep┼éywu pr─ůdu. W takich przypadkach wyb├│r notacji do oznaczania kierunku przep┼éywu ┼éadunku ma znaczenie. Poniewa┼╝ dawni in┼╝ynierowie ustalili, ┼╝e w ich „kulturze” standardowo b─Ödzie przyjmowany konwencjonalny kierunek przep┼éywu pr─ůdu oraz poniewa┼╝ to in┼╝ynierowie wynajduj─ů urz─ůdzenia elektryczne i reprezentuj─ůce je symbole, strza┼éki na tych symbolach zawsze wskazuj─ů kierunek zgodnie z pr─ůdem konwencjonalnym. Innymi s┼éowy strza┼éki na symbolach tych urz─ůdze┼ä wskazuj─ů kierunek przeciwny do rzeczywistego kierunku przep┼éywu przez nie elektron├│w.

Dioda

┼Üwietnym przyk┼éadem urz─ůdzenia spolaryzowanego jest dioda. Dioda to jednokierunkowy „zaw├│r” pr─ůdu elektrycznego, analogiczny do zaworu przeciwzwrotnego w uk┼éadach hydraulicznych. Idealna dioda w og├│le nie ogranicza przep┼éywu pr─ůdu w jednym kierunku (stawia ma┼éy lub zerowy op├│r) i blokuje go ca┼ékowicie w drugim (stawia niesko┼äczony op├│r). Na schemacie oznacza si─Ö j─ů nast─Öpuj─ůcym symbolem:

symbol diody

W obwodzie z lamp─ů pod┼é─ůczon─ů do baterii dzia┼éa┼éaby nast─Öpuj─ůco:

dioda w obwodzie z lamp─ů i bateri─ů

Kiedy dioda jest pod┼é─ůczona w spos├│b umo┼╝liwiaj─ůcy przep┼éyw pr─ůdu, lampa ┼Ťwieci. W przeciwnym przypadku dioda blokuje przep┼éyw elektron├│w jak prze┼é─ůcznik i lampa nie ┼Ťwieci.

Je┼Ťli oznaczenia na schemacie obwodu wskazuj─ů konwencjonalny kierunek przep┼éywu pr─ůdu, strza┼éka na diodzie ma sens, poniewa┼╝ wskazuje kierunek przep┼éywu ┼éadunku od dodatniego do ujemnego:

inny obw├│d z diod─ů

Je┼Ťli natomiast pos┼éu┼╝ymy si─Ö notacj─ů wskazuj─ůc─ů rzeczywisty kierunek przep┼éywu elektron├│w w obwodzie, strza┼éka diody b─Ödzie wskazywa─ç kierunek odwrotny.

dioda z notacj─ů odwrotn─ů do rzeczywistego kierunku przep┼éywu elektron├│w

Z samego tego powodu wielu wybiera oznaczenie konwencjonalne przy okre┼Ťlaniu kierunku ruchu ┼éadunku w obwodzie. Wtedy przynajmniej strza┼éki na elementach p├│┼éprzewodnikowych zgadzaj─ů si─Ö z reszt─ů oznacze┼ä. Inni jednak wol─ů pokaza─ç rzeczywisty kierunek przep┼éywu elektron├│w, aby nie musie─ç ci─ůgle pami─Öta─ç, ┼╝e elektrony tak naprawd─Ö p┼éyn─ů w innym kierunku, gdy z jakiego┼Ť powodu stanie si─Ö to istotne.

Oznaczanie kierunku przepływu elektronów

W tej serii podr─Öcznik├│w konsekwentnie oznaczam rzeczywisty kierunek przep┼éywu elektron├│w. Co ciekawe, nie taki by┼é m├│j pierwotny wyb├│r. Kiedy sam si─Ö uczy┼éem, ┼éatwiej mi by┼éo korzysta─ç z notacji konwencjonalnej, g┼é├│wnie ze wzgl─Ödu na strza┼éki na symbolach urz─ůdze┼ä p├│┼éprzewodnikowych. Kiedy p├│┼║niej zacz─ů┼éem formaln─ů nauk─Ö elektroniki, wyk┼éadowca kaza┼é nam podczas zaj─Ö─ç korzysta─ç z notacji wskazuj─ůcej rzeczywisty kierunek elektron├│w. Kaza┼é nam nawet pozmienia─ç d┼éugopisem oznaczenia w podr─Öcznikach (w kt├│rych na schematach stosowano notacj─Ö konwencjonaln─ů), aby wskazywa┼éy „prawid┼éowy” kierunek! Nie by┼éo to jednak tylko jego widzimisi─Ö. Przez 20 lat pracy jako elektronik dla marynarki USA cz─Östo mia┼é do czynienia ze sprz─Ötem zawieraj─ůcym lampy pr├│┼╝niowe. Przed nastaniem ery p├│┼éprzewodnik├│w, takich jak tranzystory, do wzmacniania s┼éabych sygna┼é├│w elektrycznych u┼╝ywano tzw. lamp pr├│┼╝niowych zwanych te┼╝ lampami elektronowymi. Dzia┼éanie tych urz─ůdze┼ä opiera si─Ö na wykorzystaniu elektron├│w przemieszczaj─ůcych si─Ö w pr├│┼╝ni. Ich ilo┼Ťci─ů steruje si─Ö za pomoc─ů napi─Öcia wytwarzanego mi─Ödzy metalowymi p┼éytkami i siatkami umieszczonymi na ich drodze. Zasad─Ö dzia┼éania tych urz─ůdze┼ä naj┼éatwiej jest zrozumie─ç na podstawie wizualizacji z oznaczeniem rzeczywistego kierunku przep┼éywu elektron├│w.

Kiedy uko┼äczy┼éem ten program studi├│w, wr├│ci┼éem do starego nawyku pos┼éugiwania si─Ö notacj─ů konwencjonaln─ů, g┼é├│wnie dlatego, aby u┼éatwi─ç sobie pos┼éugiwanie si─Ö symbolami komponent├│w (lampy pr├│┼╝niowe praktycznie wysz┼éy z u┼╝ycia poza paroma specjalistycznymi zastosowaniami). Kiedy gromadzi┼éem materia┼éy do napisania tej ksi─ů┼╝ki, by┼éem zdecydowany pos┼éugiwa─ç si─Ö notacj─ů konwencjonaln─ů.

Kiedy p├│┼║niej zosta┼éem nauczycielem elektroniki, zacz─ů┼éem korzysta─ç z programu studi├│w opartego na notacji okre┼Ťlaj─ůcej rzeczywisty kierunek przep┼éywu elektron├│w. Co ciekawe, cz─Ö┼Ťciowo mia┼éo to zwi─ůzek ze spu┼Ťcizn─ů mojego starego nauczyciela elektroniki, ale to ju┼╝ inna historia! Nie chc─ůc miesza─ç studentom w g┼éowach przez uczenie ich w inny spos├│b ni┼╝ pozostali nauczyciele, porzuci┼éem sw├│j stary nawyk i przyzwyczai┼éem si─Ö do „notacji elektronowej”. Chc─ůc napisa─ç ksi─ů┼╝k─Ö przydatn─ů dla moich student├│w, zmieni┼éem, cho─ç niech─Ötnie, plany i skierowa┼éem wszystkie strza┼éki we „w┼éa┼Ťciw─ů” stron─Ö. Czasami trzeba odpu┼Ťci─ç!

Z drugiej strony przynajmniej odkry┼éem, ┼╝e niekt├│rym studentom ┼éatwiej jest zrozumie─ç zachowania materia┼é├│w p├│┼éprzewodnikowych na podstawie notacji wskazuj─ůcej rzeczywisty kierunek przep┼éywu elektron├│w. Nie jest te┼╝ trudno sobie wyobrazi─ç elektrony p┼éyn─ůce przeciwnie do kierunku wskazywanego przez strza┼éki urz─ůdze┼ä spolaryzowanych. Ostatecznie odkry┼éem wi─Öc, ┼╝e nie mam problemu z analiz─ů obwod├│w bez wzgl─Ödu na rodzaj zastosowanej notacji. Czasami wci─ů┼╝ zastanawiam si─Ö, czy wszystko by┼éoby prostsze, gdyby┼Ťmy cofn─Öli si─Ö do ┼║r├│d┼éa tego ca┼éego zamieszania – b┼é─Ödnego za┼éo┼╝enia Benjamina Franklina – i od pocz─ůtku okre┼Ťlali elektrony jako „dodatnie”, a protony jako „ujemne”.

Autor: Tony R. Kuphaldt

Źródło: https://ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/index.html

Tłumaczenie: Łukasz Piwko

Tre┼Ť─ç tej strony jest dost─Öpna na zasadach licencji CC BY 4.0