تفاوت جهت جریان الکترونی و جریان قراردادی چیست ؟ راهنمای کامل با مثال

تفاوت جهت جریان الکترونی و جریان قراردادی چیست ؟ راهنمای کامل با مثال ، وقتی بنجامین فرانکلین فرضیه خود را درباره جهت جریان بار (از موم صاف به پشم زبر) مطرح کرد، سنتی را در نام‌گذاری الکتریکی پایه‌گذاری کرد که تا به امروز پابرجا مانده است. این در حالی است که اکنون می‌دانیم الکترون‌ها واحدهای تشکیل‌دهنده بار الکتریکی هستند و هنگام مالش این دو ماده به یکدیگر، الکترون‌ها در واقع از پشم به موم منتقل می‌شوند، نه از موم به پشم. به همین دلیل است که می‌گوییم الکترون‌ها بار منفی دارند؛ زیرا فرانکلین فرض کرده بود که بار الکتریکی در جهتی مخالف جهت واقعی خود حرکت می‌کند. در نتیجه، اجسامی که او «منفی» می‌نامید (و آن‌ها را دارای کمبود بار فرض می‌کرد)، در واقع دارای مازاد الکترون هستند.

تا زمانی که جهت واقعی حرکت الکترون‌ها کشف شد، نام‌گذاری «مثبت» و «منفی» آن‌چنان در جامعه علمی تثبیت شده بود که هیچ تلاشی برای تغییر آن صورت نگرفت؛ هرچند که مثبت نامیدن الکترون‌ها برای اشاره به بار «مازاد»، منطقی‌تر به نظر می‌رسید. واقعیت این است که اصطلاحات «مثبت» و «منفی» اختراعات بشر هستند و به خودی خود، معنایی فراتر از قراردادهای زبانی و توصیفات علمی ما ندارند. فرانکلین به همان سادگی می‌توانست مازاد بار را «سیاه» و کمبود آن را «سفید» بنامد؛ در آن صورت، دانشمندان امروز می‌گفتند الکترون‌ها دارای بار «سفید» هستند (با فرض همان حدس نادرست درباره موقعیت بار میان موم و پشم).

قرارداد جهت جریان قراردادی

با این حال، چون ما معمولاً واژه «مثبت» را با «مازاد» و «منفی» را با «کمبود» پیوند می‌دهیم، نام‌گذاری استاندارد برای بار الکترون معکوس به نظر می‌رسد. به همین دلیل، بسیاری از مهندسان تصمیم گرفتند همان مفهوم قدیمی الکتریسیته را حفظ کنند که در آن واژه «مثبت» به مازاد بار اشاره دارد و جریان بار (جریان الکتریکی) را بر همان اساس نشانه‌گذاری کنند. این شیوه به عنوان قرارداد جریان قراردادی (Conventional Flow) شناخته شد:

قرارداد جهت جریان الکترون

گروهی دیگر تصمیم گرفتند جهت حرکت بار را بر اساس حرکت واقعی الکترون‌ها در مدار مشخص کنند. این نوع نمادگذاری به عنوان قرارداد جریان الکترون (Electron Flow) معروف شد:

در قرارداد جریان قراردادی، ما حرکت بار را بر اساس نشانه‌های مثبت (+) و منفی (-) نشان می‌دهیم که از نظر فنی نادرست است. در این حالت، علائم معنای ذهنی درستی دارند اما جهت حرکت بار اشتباه است. در قرارداد جریان الکترون، ما حرکت واقعی الکترون‌ها را در مدار دنبال می‌کنیم، اما علائم مثبت (+) و منفی (-) معکوس به نظر می‌رسند.

اما آیا واقعاً مهم است که جریان بار را در یک مدار چگونه نشان دهیم؟ تا زمانی که در استفاده از نمادهای خود یکپارچگی و ثبات داشته باشیم، پاسخ منفی است. شما می‌توانید جهت فرضی جریان (جریان قراردادی) یا جهت واقعی آن (جریان الکترون) را دنبال کنید و در تحلیل مدار به یک اندازه موفق باشید. مفاهیم ولتاژ، جریان، مقاومت، پیوستگی و حتی محاسبات ریاضی مانند قانون اهم و قوانین کیرشخف با هر دو روش نمادگذاری کاملاً معتبر باقی می‌مانند.

جریان قراردادی در برابر جریان الکترون

قرارداد جریان قراردادی توسط بیشتر مهندسان برق دنبال می‌شود و در اکثر کتاب‌های درسی مهندسی به تصویر کشیده شده است. در مقابل، جریان الکترون بیشتر در کتاب‌های مقدماتی و در نوشته‌های دانشمندان حرفه‌ای، به‌ویژه فیزیک‌دانان حالت جامد که با حرکت واقعی الکترون‌ها در مواد سروکار دارند، دیده می‌شود. این ترجیحات ماهیت فرهنگی دارند؛ به این معنا که گروه‌های مختلفی از افراد، تصور حرکت جریان الکتریکی به شیوه‌های خاصی را برای خود سودمند یافته‌اند. از آنجا که بیشتر تحلیل‌های مدارهای الکتریکی به توصیف دقیق و فنی حرکت بار بستگی ندارند، انتخاب بین این دو قرارداد تا حد زیادی اختیاری است… البته، تقریباً اختیاری است.

قطبیت و ناپلاریزه بودن

بسیاری از قطعات الکتریکی، جریان‌های واقعی را در هر دو جهت بدون هیچ تفاوتی در عملکرد خود تحمل می‌کنند. به عنوان مثال، لامپ‌های رشته‌ای (نوعی لامپ که از یک رشته فلزی نازک استفاده می‌کند و با عبور جریان کافی به سفیدی می‌گراید و داغ می‌شود)، فارغ از جهت جریان، نور را با بازدهی یکسان تولید می‌کنند. آن‌ها حتی با جریان متناوب (AC) که جهت آن به سرعت در طول زمان تغییر می‌کند نیز به خوبی کار می‌کنند. رساناها و کلیدها نیز مستقل از جهت جریان عمل می‌کنند. اصطلاح فنی برای این بی‌اهمیت بودن جهت جریان بار، ناپلاریزه بودن (Nonpolarization) است. بنابراین می‌توان گفت لامپ‌های رشته‌ای، کلیدها و سیم‌ها، قطعاتی ناپلاریزه هستند. در مقابل، هر قطعه‌ای که با تغییر جهت جریان رفتار متفاوتی از خود نشان دهد، یک قطعه قطبیده (Polarized) یا دارای قطبیت نامیده می‌شود.

قطعات قطبیده بسیاری در مدارهای الکتریکی استفاده می‌شوند. بیشتر آن‌ها از مواد نیمه‌رسانا (Semiconductor) ساخته شده‌اند. مانند کلیدها، لامپ‌ها و باتری‌ها، هر یک از این قطعات در نمودار شماتیک با یک نماد منحصربه‌فرد نشان داده می‌شوند. همان‌طور که می‌توان حدس زد، نماد قطعات قطبیده معمولاً در جایی از خود دارای یک فلش است تا جهت ترجیحی یا انحصاری جریان را مشخص کند. این دقیقاً همان جایی است که تقابل میان جریان قراردادی و جریان الکترون اهمیت پیدا می‌کند. از آنجا که مهندسان در گذشته‌های دور، جریان قراردادی را به عنوان استاندارد فرهنگی خود پذیرفته‌اند و از آنجا که مهندسان همان افرادی هستند که قطعات الکتریکی و نمادهای آن‌ها را اختراع می‌کنند، فلش‌های استفاده شده در نماد این قطعات همگی به سمت جهت جریان قراردادی اشاره دارند، نه جریان الکترون. به عبارت دیگر، نماد تمام این قطعات دارای علامت‌های فلشی است که جهت آن‌ها برعکس جریان واقعی الکترون‌ها در مدار است.

شاید بهترین نمونه از یک قطعه قطبیده، دیود (Diode) باشد. دیود مانند یک «شیر یک‌طرفه» برای جریان الکتریکی عمل می‌کند، مشابه شیرهای خودکار یا یک‌طرفه در سیستم‌های لوله‌کشی و هیدرولیک. در حالت ایده‌آل، دیود جریان را در یک جهت بدون مانع عبور می‌دهد (مقاومت ناچیز یا صفر)، اما از عبور آن در جهت دیگر جلوگیری می‌کند (مقاومت بی‌نهایت). نماد شماتیک آن به این صورت است:

عملکرد آن در یک مدار شامل باتری و لامپ به شرح زیر است:

وقتی دیود در جهت درست برای اجازه عبور جریان قرار می‌گیرد، لامپ روشن می‌شود. در غیر این صورت، دیود جریان را مانند یک قطعی در مدار مسدود می‌کند و لامپ روشن نخواهد شد.

اگر جریان مدار را با استفاده از قرارداد جریان قراردادی نشانه‌گذاری کنیم، نماد فلش دیود کاملاً منطقی به نظر می‌رسد: نوک پیکان مثلثی به سمت جهت حرکت بار، یعنی از مثبت به منفی اشاره می‌کند:

از سوی دیگر، اگر از قرارداد جریان الکترون برای نشان دادن جهت واقعی حرکت الکترون‌ها در مدار استفاده کنیم، نماد فلش دیود معکوس به نظر می‌رسد:

تنها به همین دلیل، بسیاری از افراد ترجیح می‌دهند جریان قراردادی را به عنوان نماد انتخابی خود هنگام رسم جهت حرکت بار در مدار قرار دهند. این کار باعث می‌شود نمادهای مرتبط با قطعات نیمه‌رسانا مانند دیودها منطقی‌تر به نظر برسند. با این حال، برخی دیگر ترجیح می‌دهند جهت واقعی حرکت الکترون‌ها را نمایش دهند تا نیازی نباشد هر بار که موضوع حرکت واقعی الکترون‌ها مطرح می‌شود، به خود یادآوری کنند: «فقط به خاطر داشته باش که الکترون‌ها در واقع دارند در جهت مخالف حرکت می‌کنند».

از کدام مدل باید استفاده کرد؟ جریان قراردادی یا جریان الکترون؟

هر دو مدل در صورت استفاده یکپارچه و مداوم، نتایج دقیقی به دست می‌دهند و تا جایی که به عنوان ابزاری برای درک و تحلیل مدارهای الکتریکی به ما کمک می‌کنند، به یک اندازه «درست» هستند. با این حال، در محیط مهندسی برق، استفاده از جریان قراردادی بسیار رایج‌تر است. در این متن آموزشی نیز از جریان قراردادی استفاده می‌شود و هر کسی که قصد دارد الکترونیک را در یک محیط آکادمیک یا حرفه‌ای مطالعه کند، باید یاد بگیرد که به طور طبیعی جریان الکتریکی را به عنوان پدیده‌ای تصور کند که از ولتاژ بالاتر به سمت ولتاژ پایین‌تر جاری می‌شود.

سوالات متداول

اگر این مقاله تفاوت جهت جریان الکترونی و جریان قراردادی چیست ؟ راهنمای کامل با مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.