Как течет ток через диод: Куда течет ток или где же этот чертов катод? / Хабр

Куда течёт электрический ток?

Современный человек отлично знаком с результатом работы тока в различных электроприборах, и редко задумывается о том, как, откуда и куда он течёт. Для тех, кто совсем немного знаком с электрикой и электроникой ответ будет прост и очевиден: от положительного полюса к отрицательному. Тем не менее, люди, которые знакомы с вопросом глубже, знают, что данное описание корректно не для всех ситуаций, что общепринятое понимание механизма несколько упрощено и на самом деле правильно ответить на подобный вопрос можно, только лишь уточнив его. Сегодня мы попытаемся рассказать читателям, как и почему возникла такая путаница.

Для начала следует вспомнить, что такое электроток. Справочники характеризуют его как направленное движение заряженных частиц. Сегодня принято считать, что в пределах цепи ток направлен от плюсового полюса источника питания к минусовому. Так работает любая техника на постоянном токе: радиоприёмники, фонарики, детские игрушки, пульты и даже те самые светодиодные светильники, которые через драйвер или трансформатор подключены к переменной сети. Вместе с тем, предполагается, что внутри самого источника питания – например, батарейки или аккумулятора – ток всё же идёт от минуса к плюсу. Почему так? Давайте разбираться.

Сегодня науке точно известно, что направление движения электронов во многом обусловлено материалом элементов цепи. Согласитесь, это звучит немного неожиданно, однако обо всём этом нам рассказывали в школе, просто другими словами. Так, если проводник изготовлен из металла, частицами, переносящими заряд, будут выступать электроны, несущие энергию от своего, отрицательного полюса к другому, положительному. И исходя из этого оказывается, что, вопреки сказанному ранее, электроны во внешней цепи движутся от минуса к плюсу. Доказать это довольно просто. Если взять любой диод, который по своей сути допускает прохождение тока только в одном направлении, и подключить так, как сегодня принято описывать направление течения электронов, он работать на будет. Полупроводники выполняют свою функцию только тогда, когда подключаются анодом к плюсовой клемме источника. Уже на основании одного этого можно понять, что в качестве направления электротока в цепи обычно принимают противоположное реальному движению электронов.

Путаница в понятиях сложилась лишь потому, что при открытии многих электрических явлений именно неверное описание казалось исследователям логичным. Задолго до изобретения лампочек учёные пытались работать с феноменом электричества. Широко известный американский общественный и научный деятель Бенджамин Франклин стал родоначальником так называемой унитарной теории электричества. Согласно его предположениям, это самое электричество является материей, а именно, жидкостью, лишённой веса, которая способна вытекать из одной точки и перетекать в другую, со временем накапливаясь в ней. Скорее всего, именно отсюда во многих языках мира и взялось слово «ток», связанное с глаголом «течь» – ведь текут обычно именно жидкости.

Франклин утверждал, что невесомая электрожидкость присутствует во всех телах, но выраженного заряда не имеет, а потому наэлектризоваться что-либо может только в том случае, когда наблюдается её недостаток или избыток. Логично, что нехватку учёный обозначил знаком минус, а излишек –знаком плюс. Сам того не понимая, он заложил этим тезисом основу понятий положительного и отрицательного зарядов. Для Франклина всё было просто и похоже на систему сообщающихся сосудов: когда в ней начинает наблюдаться дисбаланс, электрическая жидкость в нужном количестве перетекает от тела к телу, в обоих направлениях. В целом, хорошо понятную гипотезу о движении заряда опровергнуть было сложно, потому на многие годы представление осталось именно таким.

Примерно в то же время французский исследователь и известный физик своего времени Шарль Дюфе сделал пришёл к выводу, что в действительности существует целых две разновидности электричества, каждая из которых сама по себе вписывается в объяснения Франклина, но при контакте их эффект нейтрализуется. В доработанном виде эту теорию представил шотландский физик Роберт Симмер, который взял за основу опыты предшественника и дополнил их собственными объяснениями. Название теории полностью соответствовало сути – её нарекли дуалистической.

Для многих имя Симмера совершенно незнакомо, однако его можно считать «автором» самого знаменитого школьного эксперимента с эбонитовой палочкой. Хотя подобными играми баловались ещё древние греки, объяснение явлению смог дать только он. Известно, что учёный по жизни был склонен к переохлаждению и носил сразу две пары чулок: ближе к коже – тёплые, из шерсти, а поверх них, напоказ – шёлковые. И вот однажды он заинтересовался тем, почему они странно себя ведут после снятия. Когда Симмер снимал их вместе, а потом вытягивал один из другого, то видел, что и шёлк, и шерсть немного раздуваются, а затем слипаются друг с другом. При этом если взять пару чулок из одного материала, они будут отталкиваться. Его первые эксперименты были максимально просты: в одной руке находились шерстяные чулки, а в другой – шёлковые. При сближении рук одинаковые отталкивались, а разнородные моментально слипались. Сегодня мы знаем, что то же самое можно было бы сказать о полюсах магнитов, но тогда до идеи о связи электричества и магнетизма ещё никто не подозревал.

Зато благодаря работе Симмера стало понятно, что при натирании объекта с целью электризации заряженным становится не только это тело, но и то, которое его натирает. Дуалистическая теория поясняла, что в состоянии покоя в каждом теле в некотором количестве находятся сразу две невесомые электрические жидкости, противоположные по своему заряду. При этом в целом они нейтрализуют друг друга, но при изменении взаимных пропорций возникает электризация. Хотя гипотезы Франклина и Симмера не приводили учёный мир к единому мнению, обе они с необходимой для того времени достоверностью описывали видимое положение вещей, а потому сохранялись параллельно.

Следующий крупный этап в процессе выяснения правды наступил в 1799-том году. Задолго до появления на улицах электрических фонарных столбов, слово «столб» стало синонимом чего-то заряженного. Всё дело в том, что открытие явления электролиза с использованием вольтова столба более наглядно показало учёным, что заряды могут одновременно двигаться взаимно противоположно. Формально это было моментом торжества теории Симмера, но из-за нехватки информации об устройстве мира многие учёные не готовы были принять всё на веру. Многих смущало то, что при проведении эксперимента с электролизом на отрицательном электроде собиралось в два раза больше пузырьков водорода, чем на положительном – кислорода. Ввиду того, что формула Н₂О ещё открыта не была, представлений о строении молекулы воды никто не имел, и это отчасти вносило трещину в дуалистическую теорию.

Спустя 21 год нашёлся учёный, который был гораздо решительнее предшественников. Его звали Андре-Мари Ампер, и он предложил Парижской академии наук устранить неоднозначность, приняв одно из направлений в качестве основного. В начале его работы над данным вопросом совершить выбор предполагалось просто на основании удобства, однако уже спустя несколько поставленных опытов Ампер сумел сформулировать единое правило, по которому можно было однозначно судить о направленности воздействия магнитов на электроток. Дабы избавиться от описания двух взаимно противоположных токов и избежать повторения, учёный решил однозначно, раз и навсегда, принять за основу направление движения положительного электричества. Именно этот момент считается формальной точкой отсчёта в отношении направленности электротока.

На основании тех же исследований британский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал хорошо знакомое нам со школьной скамьи правило буравчика. Оно определяло направление магнитного поля катушки и вполне устраивало учёных, поскольку считалось адекватно описывающим реальность в тех координатах, которые ранее заложил Ампер. Вместе с тем, среди исследователей было немало и тех, кто даже при уважительном отношении к предшественникам продолжал критически смотреть на ситуацию. Англичанин Майкл Фарадей признавал, что пользоваться описанными правилами удобно, однако это не означает, что в природе всё так и есть. Уже после того, как он открыл явление электромагнитной индукции, возникла необходимость определить направление индуцированного тока, и на этом этапе сугубо теоретические и условные правила других исследователей не справлялись. Российский физик немецкого происхождения Эмилий Ленц сумел дать требуемую формулировку: если проводник из металла движется вблизи магнита или тока, внутри него возникает гальванический ток, направление которого таково, что, будь провод неподвижен, он бы пришёл в движение в сторону, противоположную исходному перемещению. Несмотря на длину разъяснения правила и его сложность для понимания при первом прочтении, именно оно утвердилось в качестве доминирующего.

И даже после открытия в 1897-ом году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном электрона, указанная условность описания направления его движения сохранилась. Пусть природа задумала, что в проводнике или в вакууме должны перемещаться лишь электроны, человечество по-прежнему в качестве базового принимает противоположное направление – от плюса к минусу. Когда в начале ХХ-го века были изобретены электронные лампы, сразу же с оборудованием стали возникать определённые трудности. Тем не менее, даже это не заставило главные мировые умы пересмотреть подход. Ещё позже, с изобретением транзисторов путаница усилилась, но на первое место продолжало выноситься условное удобство. Сейчас люди уже привыкли считать, что там, где «плюс» энергии больше, чем там, где «минус», а потому она может переходить только в одном направлении, как во всё тех же сообщающихся сосудах у Франклина.

И хотя сегодня мы уже осведомлены о том, что данная условность не соответствует фактическому положению вещей, человечество успело изготовить такое количество электротехнической продукции, что внесение корректив в устоявшиеся принципы внесёт ещё большую сумятицу. Не пострадают разве что только те изделия, для которых полярность не имеет значения – это различные клеммники и наконечники, оснащение для переменного тока, а также различные провода и кабели. Всё остальное, в том числе, и бытовая техника, в которой много узлов преобразует энергию к 12 В или 5 В постоянного тока, может оказаться неработоспособной.

Напоследок хочется сказать о том, чему не уделено внимания выше: как же простому человеку понять, разобраться и запомнить, что и где находится, какой заряд куда течёт. Да, общепринятое направление движения электротока – это лишь некая условность, оправданная историей развития электротехники, и она противоположна реальному направлению перемещения электронов в металле, но в действительности всё это совершенно не принципиально. На самом деле, чтобы не прослыть невеждой следует руководствоваться простейшими принципами. Вернёмся к тому, что такое ток по определению – это направленное движение заряженных частиц. И вот тут самое главное: не спрашивайте себя, каких именно! Потому что правильный ответ – любых. Ими могут оказаться и негативно заряженные электроны, и положительные молекулы с атомами, и ионы вещества в растворе, и свободные электроны в полупроводниках, и даже так называемые «дырки». И всё это правильно, технически корректно. А потому вывод напрашивается довольно простой – ток течёт туда, где его «не хватает», то есть высказанный ранее принцип «от большего к меньшему» в действительности справедлив, безотносительно полярности перемещаемого по проводнику заряда. Остальные нюансы просто оказываются не важны.

Диод [База знаний]

Теория

КОМПОНЕНТЫ

• Адресуемая светодиодная лента
• Геркон
• Диод
• Зуммер
• Кнопка
• Кварцевый резонатор
• Конденсатор
• Макетная плата
• Резистор
• Реле
• Светодиод
• Светодиодные индикаторы
• Сервопривод
• Транзистор

ARDUINO

• Что такое Arduino?
• Среда разработки Arduino IDE
• Сравнение плат Arduino. Какую выбрать?
• Как прошить плату Arduino с помощью другой Arduino (ArduinoISP)
• Онлайн-сервис TinkerCAD – эмулятор Arduino
• Визуальная среда разработки Mixly для Arduino

RASPBERRY

• Как установить ОС Raspbian/Raspberry Pi OS?

ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

• Интерфейс I2C (IIC)

Диод — электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. У него есть 2 полюса: анод и катод. Ток пропускается только от анода (+) к катоду (-).

Электроды диода носят названия анод и катод. Если к диоду приложено прямое напряжение (то есть анод имеет положительный потенциал относительно катода), то диод открыт (через диод течёт прямой ток, диод имеет малое сопротивление). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (сопротивление диода велико, обратный ток мал, и может считаться равным нулю во многих случаях).

Диоды бывают электровакуумные, газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые. Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

Конструкция диодов

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния/германия), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа, то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов, «дырочная»), другая обладает электропроводимостью n-типа, то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов, «электронной»).

Слой между ними называется p-n переходом. Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный», и positive — «положительный». Сторона p-типа, у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа — катодом (отрицательным электродом) диода.

Основные характеристики

Вольт-амперная характеристика

После того, как напряжение в прямом направлении превысит небольшой порог V_F диод открывается и начинает практически беспрепятственно пропускать ток, который создаётся оставшимся напряжением.

Если напряжение подаётся в обратном направлении, диод сдерживает ток вплоть до некоторго большого напряжения V_DC после чего пробивается и работает также, как в прямом направлении.

Основные виды диодов

Также известен как защитный, кремниевый

• V_F = 0,7 В
• V_DC — сотни или тысячи вольт
• Открывается медленно
• Восстанавливается после пробоя обратным током

Шоттки — фамилия его изобретателя. Также известен как сигнальный, германиевый.

• V_F = 0,3 В
• V_DC — десятки вольт
• Открывается быстро
• Сгорает после пробоя обратным током

Зеннер — фамилия его изобретателя. Также известен как стабилитрон

• V_F = 1 В
• V_DC — фиксированное значение на выбор
• Умышленно используется в обратном направлении как источник фиксированного напряжения

диод | Определение, символ, типы и использование

характеристики p-n перехода

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Ник Холоньяк-младший

Похожие темы:

электронная лампа
выпрямитель
катод
анод
фотокатод

См. все связанные материалы →

Диод , электрический компонент, пропускающий ток только в одном направлении. На принципиальных схемах диод изображается треугольником с линией, проходящей через одну вершину.

Наиболее распространенный тип диода использует соединение p — n . В этом типе диода один материал ( n ), в котором электроны являются носителями заряда, граничит со вторым материалом ( p ), в котором дырки (места, обедненные электронами, которые действуют как положительно заряженные частицы) действуют как носители заряда. На их границе образуется обедненная область, через которую диффундируют электроны, заполняя дырки на стороне p . Это останавливает дальнейший поток электронов. Когда этот переход смещен в прямом направлении (т. е. положительное напряжение приложено к p -сторона), электроны могут легко перемещаться по переходу, заполняя отверстия, и через диод протекает ток. Когда переход смещен в обратном направлении (т. е. к стороне p приложено отрицательное напряжение), обедненная область расширяется, и электроны не могут свободно проходить через нее. Ток остается очень малым до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение (напряжение пробоя), после чего ток резко возрастет.

Светоизлучающие диоды (СИД) представляют собой p — n переходы, излучающие свет при протекании через них тока. Несколько p — n диоды могут быть соединены последовательно для получения выпрямителя (электрического компонента, преобразующего переменный ток в постоянный). Стабилитроны имеют четко определенное напряжение пробоя, так что при этом напряжении ток течет в обратном направлении, и постоянное напряжение может поддерживаться, несмотря на колебания напряжения или тока. В варакторных (или варикапных) диодах изменение напряжения смещения вызывает изменение емкости диода; эти диоды имеют множество применений для передачи сигналов и используются в радио- и телеиндустрии. (Подробнее об этих и других типах диодов см. см. полупроводниковое устройство.)

Ранние диоды представляли собой вакуумные трубки, вакуумированные стеклянные или металлические электронные трубки, содержащие два электрода — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. Они использовались в качестве выпрямителей и детекторов в электронных схемах, таких как радио- и телевизионные приемники. Когда к аноду (или пластине) прикладывается положительное напряжение, электроны, испускаемые нагретым катодом, текут к пластине и возвращаются к катоду через внешний источник питания. Если к пластине приложено отрицательное напряжение, электроны не могут покинуть катод, и ток пластины не течет. Таким образом, диод позволяет электронам течь от катода к пластине, но не от пластины к катоду. Если к пластине приложено переменное напряжение, ток течет только в то время, когда пластина положительна. Переменное напряжение называют выпрямленным или преобразованным в постоянный ток.

Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена ​​Эриком Грегерсеном.

Как работают диоды и для чего | Tech

Выпуск: 10.11.2021, Обновление: 08.09.2022, I.R.

Как работают диоды

Диод — это электронный компонент, который направляет поток электричества в одном направлении. Они называются «активными компонентами» и являются основными компонентами полупроводников. Они могут регулировать поток электричества, поддерживать постоянное напряжение и извлекать сигналы из радиоволн.

Сначала рассмотрим свойства «полупроводника», используемого в диодах. Материал классифицируется как «проводник», «полупроводник» и «изолятор» в зависимости от того, может ли он проводить электричество. «Полупроводник», как следует из названия, представляет собой материал со свойствами между проводником, проводящим электричество, и изолятором, который его не проводит.

Металлы являются хорошими проводниками электричества, потому что электроны каждого атома становятся свободными электронами, когда металлические элементы связываются друг с другом. Когда подается напряжение, свободные электроны в кристаллической решетке металла перемещаются и несут электрический заряд, позволяя электричеству течь.

Полупроводники могут вести себя как проводники или изоляторы в зависимости от направления протекающего через них электричества. В металлических полупроводниках не так много свободных электронов. Когда подается напряжение, электроны перемещаются, чтобы заполнить недостающие дырки, или они переносят электричество с меньшим количеством свободных электронов.

Полупроводники подразделяются на полупроводники p-типа и полупроводники n-типа на основе различий в механизме протекания электричества: полупроводники p-типа — это те, в которых электроны движутся последовательно, чтобы заполнить недостающие отверстия. Четырехвалентные элементы, такие как кремний, смешанный с трехвалентной добавкой, такой как бор или галлий, становятся полупроводниками р-типа. Полупроводник p-типа имеет больше дырок, чем электронов, что позволяет току течь от дырки к дырке. Поскольку ему не хватает одного электрона, он считается положительно заряженным.

Полупроводники N-типа переносят электричество с меньшим количеством свободных электронов, чем металлические связи. Четырехвалентные элементы, такие как кремний, смешанный с пятивалентной добавкой, такой как фосфор, становятся полупроводниками n-типа, поскольку они обеспечивают больше электронов в структуре. Поскольку у него есть один дополнительный электрон, он считается отрицательно заряженным.

В PN-диоде электрод, соединенный с полупроводником p-типа, называется анодом (A), а электрод, соединенный с полупроводником n-типа, называется катодом (K). (Рисунок 1)

При присоединении полупроводника n-типа (дополнительный электрон) и p-типа (дополнительная дырка) происходит мгновенный поток электронов со стороны n на сторону p, в результате чего между ними образуется пустая зона. Следовательно, когда «-» подключен к анодной стороне, а «+» подключен к катодной стороне PN-диода, электроны в полупроводнике притягиваются к анодной стороне, и на PN-диоде генерируется пустая зона электричества. узел. Следовательно, электричество в цепи не течет (рис. 2).

И наоборот, если «+» подключен к стороне анода, а «-» к стороне катода, заряды «+» и «-» в полупроводнике будут слипаться в P- и N-переходе и компенсировать друг друга, но электронам будет позволено двигаться от катода к аноду, позволяя электричеству течь. (Рисунок 3)

Таким образом, диоды обладают свойством проводить электричество только в фиксированном направлении. Светоизлучающие диоды (СИД), которые мы видим вокруг себя, предназначены для излучения света, когда электричество проходит через PN-переход. Диоды широко используются в различных приложениях, которые поддерживают нашу повседневную жизнь.

Роль диодов

Существует четыре основных области применения диодов:

(1) Исправление

В обычном блоке питания переменного тока направление тока всегда меняется. Диоды позволяют электричеству течь только в одном направлении; поэтому из переменного тока извлекается только прямой ток. Это известно как выпрямляющее действие диода.

(2) Обнаружение радиоволн

Диоды играют роль в извлечении аудиосигналов из радиоволн. Это известно как обнаружение волны. Радиоволны создаются путем объединения высокочастотных сигналов, используемых для связи, с низкочастотными сигналами, такими как голос.

(3) Контроль напряжения

Обычно диоды пропускают ток только в одном направлении. Однако, когда напряжение в противоположном направлении превышает определенное значение, начинает течь ток. Однако, когда напряжение в обратном направлении превышает определенное значение, начинает течь ток, и даже если ток увеличивается, напряжение не меняется. Это называется явлением пробоя, а напряжение, при котором происходит явление пробоя, называется «напряжением пробоя» или «напряжением Зенера». Это явление используется при контроле напряжения на диодах, и диоды, используемые для этой цели, называются диодами Зенера.

(4) Преобразование тока

Когда свет падает на PN-переход, электроны на стороне N рядом с переходом движутся. В результате электричество продолжает течь, пока горит свет. Это принцип солнечной батареи.
При отсутствии внешнего напряжения работает как батарея, а при подаче напряжения действует как диод. Некоторые диоды реагируют на видимый свет, тогда как другие, реагирующие на невидимый свет, используются в таких приложениях, как светоприемная часть инфракрасных пультов дистанционного управления.

Типы диодов

Существуют различные типы диодов; следующие наиболее распространенные типы:

Кремниевые диоды

Самый распространенный тип PN-диода. Чаще всего их называют выпрямительными диодами.

Германиевые диоды

Подобно кремниевым диодам, эти диоды сочетают в себе PN. Они часто используются для обнаружения волн из-за их низкого прямого падения напряжения, особенно в области, где ток составляет всего 0,1 мА. Однако в настоящее время широко используются диоды с барьером Шоттки из-за высокой стоимости германия.

Диод Шоттки

Этот диод изготовлен путем соединения металла и полупроводников. Эти диоды имеют лучшие характеристики переключения по сравнению с кремниевыми диодами и поэтому используются в быстродействующих цепях.

Переключающий диод

Этот диод используется для размыкания и замыкания цепи питания, например переключателя. Он включается, когда напряжение подается в направлении потока мощности, и выключается, когда напряжение подается в обратном направлении.

Диод Эсаки

В этом диоде используется туннельный эффект, открытый лауреатом Нобелевской премии Леоной Эсаки. Туннельный эффект — это свойство диодов с PN-переходом, которые имеют высокие концентрации примесей, позволяя току течь из-за квантово-механических эффектов. Из-за их чрезвычайно быстрого времени отклика они используются для генерации микроволн.

Светодиод (LED)

В этом диоде переход излучает свет, когда ток протекает через PN-переход.

Как течет ток через диод: Куда течет ток или где же этот чертов катод? / Хабр