Vilket sätt strömmar elektricitet verkligen?

eftersom de negativa partiklarna bär ett namn som låter som ”El”, börjar vissa nybörjare tyvärr tro att elektronerna är Elen, och de börjar felaktigt föreställa sig att protonerna (har ett mycket mindre elektriskt namn?) är inte elektriska. Några text-och referensböcker säger även direkt detta och säger att el består av elektroner. Nej, fel. I verkligheten bär elektroner och protoner elektriska laddningar med lika styrka. Om elektroner är ”el”, är protoner” El ” också.,

nu kommer alla med rätta att berätta för mig att protonerna inom ledningarna inte kan strömma, medan elektronerna kan. Ja, det är sant… men bara sant för metaller. Och det är bara sant för fasta metaller. Och bara sant för fasta metaller som inte rör sig. Alla metaller består av positivt laddade atomer nedsänkta i ett hav av rörliga elektroner. När en elektrisk ström skapas inom en fast, icke-rörlig koppartråd, rör sig” elektronhavet ” framåt, men protonerna inom de positiva atomen av koppar gör det inte.,

fasta metaller är emellertid inte de enda ledarna, och i många andra ämnen är de positiva atomerna *rör sig, och de* deltar *i den elektriska strömmen. Dessa olika ledare är inget exotiskt. De är mycket vanliga, de runt omkring oss; så nära oss som de kan vara.

icke-elektronladdningsflöde

om du till exempel petade fingrarna i baksidan av en gammal TV-apparat, skulle du drabbas av en farlig eller dödlig elektrisk chock. Under din smärtsamma upplevelse var det uppenbarligen en stor ström riktad genom din kropp., Men inga elektroner flödade genom din kropp alls. De elektriska laddningarna i en mänsklig kropp består helt av positiva och negativa laddade atomer eller ” joner.”Under din elektrocution var det dessa laddade atomer som flödade längs som en elektrisk ström. Strömmen i ditt kött var ett flöde av positiva natrium-och kaliumatomer, negativt klor och många andra mer komplexa

positiva och negativa molekyler. Under den elektriska strömmen flödade de positiva atomerna i en riktning, medan de negativa atomerna samtidigt flödade i den andra., Föreställ dig flödena som att vara som massor av små rörliga prickar, med hälften av prickarna som går i ena riktningen och hälften i den andra. Populationerna av små prickar rör sig genom varandra utan att några prickar kolliderar. De postiva atomerna beter sig som flytande protoner, men protoner med hela atomer fästa. De negativa atomer beter sig som elektroner som drar en hel atom tillsammans med dem.Några av flödena är-OH negativa vattenjoner, och några av flödena är faktiska protoner (även om vi brukar kalla dessa +H positiva vätejoner.)

så, inuti mänskligt kött …,vilken riktning gick den elektriska strömmen verkligen? Följer vi de negativa partiklarna och ignorerar de positiva? Eller vice versa, efter de positiva? Det finns ett enkelt svar, men först…

batterier är ett annat exempel på icke-elektron eller ”Joniska” ledare. När du ansluter en glödlampa till ett batteri bildar du en komplett krets, och vägen för den flytande laddningen är genom batteriets insida, såväl som genom glödtråden och anslutningskablarna. Batteri elektrolyt är mycket Ledande., Ner inuti batteriet, inom de våta kemikalierna mellan de två plattorna, framträder ampere av ficklampströmmen som ett flöde av både positiva och negativa atomer. Det finns ett kraftfullt flöde av elektrisk laddning som går igenom batteriet, men inga enskilda elektroner strömmar genom batteriet alls. Så, under den tid då laddningarna flyter mellan batteriets två plattor, vad är den verkliga riktningen? Inte höger till vänster, inte vänster till höger, men i båda riktningarna på en gång., Ungefär hälften av laddningsflödet består av positiva atomer, och den återstående delen består av negativa atomer som strömmar bakåt. Naturligtvis i (fasta, unmoving) metalltrådar utanför batteriet är det verkliga partikelflödet endast från negativt till positivt. Men inuti batteriets våta elektrolyt går laddningsflödet i två motsatta riktningar samtidigt. (Och om vi skulle bygga en krets helt ur slangar fulla av saltvatten, utan metallledare som används, skulle all ström vara dubbelriktad.,)

tvåvägsströmmar är vanliga

det finns många andra ställen där dessa typer av positiva/negativa laddare kan hittas. I följande lista över enheter och material är de elektriska laddningarna som finns inom ledarna en kombination av rörliga positiva och negativaartiklar. Under en elektrisk ström är båda sorterna av partiklarflödar förbi varandra i motsatta riktningar.,

tvåvägs POS/NEG elektriska strömmar kan existera i:

• batterier
• mänskliga kroppar
• alla levande organismer
• syror (mestadels protoner flöde)
• marken
• havet
• himlen (jonosfär)

himlen (jonosfär)

• elektrolytkondensatorer
• aluminium smältverk
• flytande kvicksilver och lödmedel
• jonbaserade rökdetektorer
• elektropläteringstankar
• bränsleceller protonledare och ”fast syra” membran
• elektrofores geler i forskning (ESP., Luftrenare, rökfällning, luftjonflöden
• partikelstrålar
• den vertikala ”skyströmmen” i atmosfären
• gasurladdning, som inkluderar:
  • elektriska gnistor
  • fluorescerande rör
  • natrium-och kvicksilverbågen gatlyktor
  • neonskyltar
  • jordens Aurora
  • blixtnedslag och koronaurladdningar
  • bågsvetsare
  • Geiger counter rör
  • thyratron rör
  • kvicksilverånga likriktare

denna lista är inte så kort., Återigen frågar jag dig, vad är den verkliga riktningen för elektriska strömmar? Vi kan inte lösa problemet genom att förringa det, eller genom att låtsas att tvåvägsströmmar endast avser något exotiskt, eller låtsas att det är helt skilt från vardagen. Vårt eget nervsystem är baserat på tvåvägsströmmarna. Vi vågar inte tro att en ström i en metalltråd är ”verklig”, medan strömmar i mänskligt kött på något sätt inte är.

Tja, vad är ” nuvarande?”

för att få lite insikt, låt oss undersöka detaljerna., Samtidigt som vi försöker förstå elektriska kretsar och elektriska mätningar behöver vi ett enkelt sätt att ta mätningar av denna viktiga enhet som heter ”elektrisk ström.”Men för att mäta strömmar, behöver vi inte först mäta hur mycket av strömmen som består av negativa partiklar som går en väg och av positiva partiklar den andra? Ja, men vi behöver bara denna information om vi vill veta allt om den elektriska strömmen., De flytande negativ och positiva är vanligtvis inte lika, och positivets hastighet i en riktning är vanligtvis inte densamma som negativens hastighet i den andra. Elektrisk ström kan vara komplicerat!

det finns dock en söt trick vi kan dra för att undvika att behöva titta på partiklarna alls. Och det tricket håller svaret på frågan.

elektriska strömmar ger tre huvudeffekter: magnetism, uppvärmning och spänningsfallet över resistiva ledare. Dessa tre effekter täcker nästan allt vi möter i elektronik., Och dessa tre effekter bryr sig inte om mängden positiva och negativa partiklar, eller om deras hastighet, deras massa, deras laddning etc. Om hundra positiva partiklar flyter till vänster per sekund ger detta exakt lika mycket magnetism, uppvärmning och spänning som hundra negativa partiklar som strömmar till höger per sekund. (Obs! Det beror på att om partiklarnas polaritet ändras strömmen och om partikelriktningen återgår strömmen igen! Två negativ är positiva.,) Magnetism, värme och spänningsfall tillsammans representerar nästan alla funktioner som är viktiga i vardagliga elektriska kretsar. Därför, när det gäller de flesta elektriska enheter och kretsar, gör det ingen skillnad om strömmen är gjord av positiva partiklar som går ett sätt, eller negativa partiklar som går den andra… eller hälften så många negativ flyter bakåt genom en skara av hälften så många positiva.

enkelt uttryckt, din ammeter bryr sig inte om riktningen eller hastigheten på de flödande partiklarna. Det kan inte mäta dessa, eller ens upptäcka dem., Definitionen av ”Ampere” erkänner inte partiklarnas hastighet, eller deras riktning eller deras nummer.

så, för att förenkla våra mätningar och vår mentala bild av elektriska strömmar, skär vi bort de oanvända delarna av bilden. Vi tittar på ampere, inte på flytande partiklar. Vi gör de negativa partiklarna positiva och lägger sedan deras ström till några positiva partiklar som flödade framåt. Vi ignorerar deras hastighet, och mäter istället bara flödeshastigheten: den totala laddningen som strömmar per sekund. Vi slutar tänka på strömmen som ett flöde av verkliga fysiska partiklar., Istället definierar vi avsiktligt ”elektrisk ström” som ett flöde av uteslutande positiva partiklar som strömmar i en viss riktning. Vi bryr oss inte om partiklarnas verkliga polaritet. Vi bryr oss inte om deras hastighet, och vi bryr oss inte om deras nummer. Vi ignorerar både de kemiska effekterna och effekterna av hastigheten och riktningen för rörliga partiklar. Vi ignorerar kollisionerna mellan positiva och negativa partiklar. Allt vi bryr oss om är den totala nettoavgiften som rör sig förbi en viss punkt i kretsen. De verkliga anklagelserna är för komplicerade att hantera., Vi bryr oss inte om några strömmar inuti din kropp är gjorda av halvpositiva, halvnegativa partiklar som strömmar i motsatta riktningar!Den extra komplexiteten får oss väldigt lite information så länge vi bara är intresserade av spänningsfall, magnetfält och uppvärmning.

Partikelflödet är verkligt, ”ampere” och ”ström” är inte

när vi börjar ignorera laddningens hastighet och riktning, kan vi enkelt bygga elektriska instrument eller ”amp-mätare” som mäter den konventionella elektriska strömmen när det gäller magnetismen som det stora flödet skapar…, eller genom spänningsfallet som visas över resistor, eller genom att temperaturhöjningen skapas i en kalibrerad bit av motståndstråd. Dessa tre typer av mätare kommer överens om att en” ström ”är en” ström ” oavsett partikelpolariteter och flöden. Då kan vi använda mätarna överallt. I nästan varje situation kommer de att berätta allt vi någonsin skulle kunna vilja veta om flöden av laddade partiklar i någon krets. En amp-mätare kanske inte är lämplig näranvänds i ett exotiskt fysikexperiment., Det kommer inte att måla rätt bildnär man utformar elektronstrålar inuti vakuumrör, eller jonflöden i nervfibrer. Den kan inte upptäcka verkliga händelser; i stället mäter den bara vår konventionellt definierade simplecurrent. Men för mer än 99% av el och elektronik, partiklarnasriktning är irrelevant, och en ammeter berättar försså kallad ”riktig” ström medan du döljer de sanna partikelflödena.,

eller för att uttrycka det enkelt: vi låtsas att ”elektriska strömmar” alltid består av positiva partiklar med okänd hastighet, så att eventuella negativa strömmar definieras som positiva partiklar som strömmar bakåt snarare än negativa partiklar som strömmar framåt.

förvirrande studenter i tvåhundra år

vi orsakar vissa problem genom att välja en positiv laddningskonvention. Till exempel, vad händer om vi alla spenderar många år på att tänka på en sådan förenklad ” elektrisk ström?”Kan vi så småningom börja tro att detta förenklade koncept av positiv elektrisk ström är verklig?, Men det är inte riktigt, det är helt enkelt ett sätt att förenkla saker. Det finns en verklig skillnad mellan den förenklade bilden och de faktiska partikelflödena. Amps inuti saltvatten och metaller skulle inte riktigt matcha en visuell bild av rörliga partiklar. Men om vi verkligen tror att ampererna är verkliga, kan vi börja tvivla på förekomsten av flytande avgifter. Vi kan börja se ”elektrisk ström” själv som en slags abstrakt, osynlig, svår att föreställa sig. Vi kan förlora reda på fakta att elektrisk ström är ett faktiskt flöde av materia., Vi kan förlora reda på det faktum att det finns verkliga, synliga partiklar som flyter längs inuti den kretsen, eller att dessa partiklar har en verklig medelhastighet, massa och riktning.

eftersom ”ampere” är så otroligt användbara, tar den förenklade tolkningen av strömmen över och blir mer verklig än verkligheten. Det gör det möjligt för oss att förstå delar av fysisk vetenskap som annars kan varaför komplicerat att föreställa sig. Men när det gäller att låta de positiva avgifterna ta över lämnas några gnagande frågor kvar, till exempel ” vilket sätt strömmar elektriciteten verkligen?”(flin!)