Problemy:
Po pierwsze , prądy nie „pochodzą” z dodatniego zacisku. To bardzo powszechne nieporozumienie, zwane „sekwencyjnym błędem” w podręcznikach dotyczących elektryczności w klasach. Podstawowym problemem jest to, że przewody nie są jak puste rury. Zasilacz ich nie zapełnia. Zamiast tego przewody są już wstępnie wypełnione ładunkiem, dzięki czemu prądy zawsze pojawiają się wszędzie w obwodzie, wszystkie jednocześnie. („Prąd” oznacza przepływ ładunku. Kiedy zaczyna się krążyć ładunek ruchomy, „prąd” pojawia się w całym pierścieniu. To podstawowa zasada obwodu.)
Innymi słowy, obwody elektryczne zachowują się jak koła i pasy. W ten sam sposób metal łańcucha rowerowego nie „pochodzi” z określonego miejsca na zębatce. W pewnym momencie nie „zaczyna się”. Zamiast tego cały okrąg jest zrobiony z łańcucha. Ponadto cały łańcuch istniał, zanim istniało jakiekolwiek źródło zasilania. W przypadku łańcuchów rowerowych po przyłożeniu siły wszystko się obraca. W obwodach, gdy zastosowana jest różnica potencjałów , wszystkie ruchome ładunki wewnątrz pierścienia (wewnątrz obwodu) zaczynają się poruszać jako jednostka, jak solidny łańcuch w pełnym okręgu. Ale te ładunki znajdowały się już w przewodach przed podłączeniem jakiegokolwiek akumulatora. Przewody są jak węże wypełnione wodą.
Po drugie, potencjał elektryczny może istnieć tylko między dwoma punktami, a jedno pojedyncze miejsce w obwodzie nigdy „nie ma napięcia”. Dzieje się tak, ponieważ napięcie przypomina trochę wysokość: obiekt nie może „mieć wysokości”, ponieważ wysokość można zmierzyć tylko między dwoma punktami. Nie ma sensu omawianie wysokości, długości ani wysokości obiektu. Wysokość ponad co? Nad podłogą? Nad ziemią na zewnątrz budynku? Wysokość nad centrum Ziemi? Każdy obiekt będzie miał nieskończenie wiele wysokości w tym samym czasie!
Napięcie ma dokładnie ten sam problem: jeden zacisk może „mieć napięcie” tylko w porównaniu z innym zaciskiem. Napięcie działa jak długość: napięcie i długość są pomiarami podwójnie zakończonymi. Innymi słowy, jeden zacisk w obwodzie zawsze ma wiele różnych napięć w tym samym czasie, w zależności od tego, gdzie umieszczamy drugi przewód miernika.
Po trzecie , w obwodach siła napędowa jest wytwarzana przez dodatnie i ujemne zaciski zasilania, oba jednocześnie. I najważniejsze: ścieżka prądu prowadzi przez zasilacz. Zasilacze to zwarcia. Idealny zasilacz działa jak rezystor zerowy. Pomyśl o tym: w cewce dynamo ładunki przechodzą przez cewkę i wycofują się ponownie. Drut ma bardzo niski opór. To samo dotyczy akumulatorów: ścieżka prądu biegnie przez akumulator i wycofuje się. Płytki akumulatora są zwarte przez bardzo przewodzący elektrolit.
Przykład:
Oto poprawny opis latarki. Ładunki rozpoczynają się w żarniku wolframowym. Gdy przełącznik jest zamknięty, a obwód jest zakończony, jeden koniec filamentu zostaje naładowany dodatnio, a drugi ujemnie. Zmusza to do rozpoczęcia przepływu własnych ładunków żarnika. Ładunki wychodzą z żarnika i przechodzą w jeden drut, a jednocześnie więcej ładunków dociera do drugiego końca żarnika. Ładunki te są dostarczane przez metalowe druty (a przed włączeniem przełącznika wszystkie przewodniki były już pełne ruchomych ładunków). Kontynuując, ładunki, które były w żarniku, wypłyną w jeden drut, powoli przesuwają się do akumulatora (dotarcie tam zajmuje kilka minut lub godzin), a następnie przepłyń przez akumulator i wycofaj się ponownie. Wychodzą z drugiego terminala baterii, przepływają z powrotem na drugi koniec filamentu, a następnie kończą w miejscu, w którym się rozpoczęły. „Kompletny obwód”. Ładunki są jak pasek napędowy lub obracające się koło lub łańcuch rowerowy. Bateria przepycha ładunki, ale nie dostarcza ładunków. Miedź i wolfram zasilają ładunki przepływające w obwodzie latarki. Ładunki poruszają się dość wolno, ale ponieważ wszystkie zaczynają się poruszać w tym samym czasie, żarówka zapala się natychmiast, nawet jeśli przewody są dość długie.
Po czwarte: wszelkie jony dodatnie wewnątrz baterii są niezwykle ruchome . Z pewnością nie są zablokowane. Gdyby tak było, baterie byłyby izolatorami i nie działałyby. Niektóre akumulatory oparte są na przepływie jonów dodatnich w jednym kierunku i jonów ujemnych w drugim. Baterie kwasowo-ołowiowe są różne. W kwasie płyną tylko protony. Kwasy są przewodnikami protonów.
Ale uwaga: baterie zapewniają dodatkową złożoność, która może wykoleić wyjaśnienie.
Zamiast tego wymień baterię latarki na dużą cewkę i supermagnes. Podłącz go do żarówki. Wciśnij supermagnes do cewki, a żarówka mignie krótko. Skąd pochodzą opłaty? Jak poruszający się magnes może wytwarzać ładunki? NIE. Dynama i akumulatory są pompami ładującymi. Ruchomy magnes zmusza własne ładunki drutu do rozpoczęcia ruchu. (Pompa nie dostarcza pompowanego materiału!) Ruchomy magnes wytwarza prąd, ponieważ przykłada siłę pompującą EM do ruchomych ładunków znajdujących się już wewnątrz metalu.
Zły przewodnik. Zły!
Oto wyjaśnienie. Wiele podręczników wprowadzających zawiera błędną definicję „dyrygenta”. Całkowicie błędne i bardzo mylące. Nauczą cię, że przewodniki „przepuszczają ładunki” (lub przepuszczają prąd lub prąd.) Nie. Przewodniki nie są jak puste rury. Przewodniki nie są przezroczyste dla energii elektrycznej. Zamiast tego „przewodnik” oznacza „materiał pełen opłat mobilnych”. Przewodniki są jak zbiorniki pełne wody. Są jak akwaria lub jak wstępnie wypełnione rury. Przewodniki są zgodne z prawem Ohma: kiedy zastosujemy różnicę napięcia na końcach drutu, przepływ ładunków zależy od rezystancji drutu, I = V * R. Płyną własne ładunki drutu. Pomyśl o tym: powietrze jest izolatorem, nawet próżnia jest izolatorem, ale jak próżnia może blokować przepływ ładunków? Próżnia nie musi. W próżni nie ma żadnych ruchomych ładunków, dlatego izoluje.)
Wszystko to prowadzi do ważnej koncepcji. Ilekroć bierzemy kawałek drutu i zapinamy końce razem, aby utworzyć zamkniętą pętlę, tworzymy „niewidzialny pasek napędowy”, pętlę ruchomego ładunku wewnątrz nieporuszającego się drutu. Wciśnij biegun magnesu w metalową pętlę, a wszystkie ładunki drutu będą poruszać się jak koło. Jest to basen w kształcie pierścienia, a jeśli popchniemy wodę, możemy obrócić całą wodę jak koło zamachowe, podczas gdy sam basen pozostaje nieruchomy.
Po piąte , prądy nie są wsteczne, ponieważ prądy elektryczne nie są przepływami elektronów.
W szczególności biegunowość przepływających ładunków zależy od rodzaju przewodnika. Tak, w metalach litych ruchomymi ładunkami są elektrony. Ale istnieje duża liczba przewodników, w których elektrony nie mogą się poruszać. Najbliższe to mózg i układ nerwowy: jednoczesne przepływy jonów dodatnich i ujemnych w przeciwnych kierunkach, bez żadnych przepływów elektronów. Słona woda, „elektrolity”, w tym ziemia i oceany, nie są przewodnikami elektronowymi.
Przykład Weirdera: kwasy przewodzą, ponieważ są pełne jonów wodoru dodatnich + H. Inna nazwa jonu + H to ... „proton”. Kiedy przepuścisz kilka amperów przez kwas, prąd będzie przepływem protonów. (Heh, jeśli w prochu są jakieś prądy gruntowe, a brud jest raczej kwaśny niż słony, to prądy te są przepływami protonów!)
Innymi słowy, „amperami” mogą być przepływające elektrony lub płynące protony lub dodatnie sód przechodzące przez chlorek ujemny w drugą stronę. Lub, szybkie elektrony idące w jedną stronę w iskrze, podczas gdy wolne jony azotu poruszają się do przodu lub do tyłu w zależności od tego, czy są dodatnie czy ujemne. A w półprzewodnikach typu p prąd jest przepływem „wolnych miejsc sieci” w krysztale! (Każda pustka odsłania nadmiar protonu krzemu, więc każda z nich ma prawdziwy ładunek dodatni. „Otwory” poruszają się za pomocą przenoszenia elektronów, ale każda dziura jest naprawdę naładowana dodatnio.)
Przy całej powyższej złożoności, jak możemy opisać, co dzieje się w obwodach? Łatwo: to już dla nas zrobione. Zakrywamy ruchome ładunki i ignorujemy je. Ignorujemy ich prędkość przepływu i ich ilość. Ignorujemy ich polaryzację. Zamiast tego sumujemy wszystkie różne ładunki, które mogą znajdować się w dowolnym przewodzie, obliczamy całkowite natężenie przepływu i nazywamy to „amperami”. Czy twój przewodnik jest wężem pełnym słonej wody? Umieść wokół niego amperomierz zaciskowy i odczytaj amper. Gęstość jonów nie ma znaczenia. Prędkość jonów nie ma znaczenia, a może to być wąż kwasowy pełen protonów, zamiast węża z wodą morską. Wzmacniacze to wzmacniacze.
Ampery nazywane są również „prądem konwencjonalnym” lub po prostu „prądem elektrycznym”.
Bardzo ważne: ampery nie są przepływem ładunku. Przewodnik może mieć jeden wzmacniacz, ale to nie mówi nam nic o ładunkach w środku. Może być kilka ładunków płynących szybko lub wiele ładunków płynie wolno. Mogą występować ładunki dodatnie idące do przodu lub ujemne, cofające się, lub oba jednocześnie (jak w przypadku ciał ludzkich poddawanych porażeniu prądem stałym). Wszystko to jest zakryte, a wszystko, co pozostało, to amper ... prąd konwencjonalny.
OK, powrót do GND kontra COM kontra ZIEMIA.
„Ground” jest mylące, ponieważ słowo to prawie zawsze jest używane niewłaściwie.
W obwodach prawie zawsze wybieramy jeden zacisk zasilania jako „wspólny” i podłączamy do niego jeden przewód woltomierza. Nie jest uziemiony, więc naprawdę nie powinniśmy nazywać go „uziemieniem” (nie jest podłączony do metalowego kołka wbity w ziemię!) Zamiast tego jest to po prostu tradycyjny punkt do dokonywania odczytów napięcia. To cicha umowa! Ponieważ napięcia są skomplikowanymi podwójnymi pomiarami, rzeczy są uproszczone, jeśli udajemy, że są one pojedyncze. Więc podłącz swój czarny woltomierz do „wspólnego obwodu”, a następnie zignoruj go.
Teraz udawaj, że czerwona sonda twojego woltomierza może faktycznie zmierzyć NAPIĘCIE TERMINALA. Ale terminale nie mogą „mieć napięcia!” Tak, racja. Ale po cichu udajemy, że tak. Dowolny punkt obwodu może mieć napięcie ... w stosunku do innego punktu obwodu. Gdybyśmy mówili o wysokościach, zawsze moglibyśmy dokonywać pomiarów w stosunku do poziomu morza, nigdy nie wspominając o poziomie morza, a następnie udawać, że obiekty i lokalizacje mogą „mieć wysokość”, kiedy w rzeczywistości jest to niemożliwe.
Tak więc nowi uczniowie są zdezorientowani, kiedy omawiamy „napięcie terminala”. Właściwie mieliśmy na myśli „napięcie pojawiające się między zaciskiem a wspólnym obwodem”. Ale to zbyt wiele, aby powtarzać cały czas. Po cichu mówimy „napięcie między, napięcie między”, a jednocześnie mówimy „napięcie w tym miejscu” lub w innym miejscu. Tak, wtedy wszyscy nowi uczniowie zaczynają myśleć, że jeden terminal może mieć napięcie.
Czy ujemny zacisk zasilania jest wspólny? Tak, zwykle. Widziałem bardzo stare radiotelefony z tranzystorami PNP i ujemne napięcie zasilania z „dodatnim uziemieniem”. Dodatni zacisk akumulatora to obwód wspólny. Wszystkie pomiary na schemacie są napięciami ujemnymi. Oprócz radiotelefonów z lat 50. to samo dzieje się w starych VW Beetles i niektórych motocyklach. Dodatni zacisk akumulatora jest podłączony do ramy montażowej, więc „zacisk zasilania” jest ujemny. Nie instaluj normalnego radia samochodowego w starym VW, ponieważ spowoduje to zwarcie lub zapalenie się po włączeniu zapłonu. Zasilacz był cofnięty.
Wszystko, co musimy zrobić, to pozbyć się wszystkich japońskich radiotelefonów tranzystorowych PNP z lat 50., chrząszczy VW i motocykli z dodatnim uziemieniem, a wtedy obwód wspólny zawsze i na zawsze będzie ujemnym zaciskiem zasilania. No chyba, że to jakiś dziwny, elektrycznie pływający przemysłowy system czujników z mieszanką prądu przemiennego i obwodów wzmacniacza operacyjnego z uziemieniem wirtualnym.