Поток электронов: ᐉ Поток электронов и условное направление тока

Физики АлтГУ запатентовали уникальный способ получения источника высокоинтенсивного потока электронов — Новости

Физики Алтайского государственного университета запатентовали уникальный способ получения тонкой нанокристаллической интерметаллической пленки, являющейся источником высокоинтенсивного потока электронов.

Данной темой авторы изобретения – заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики, заведующий лабораторией контроля качества материалов и конструкций  Института цифровых технологий, электроники и физики, доктор физико-математических наук Владимир Александрович Плотников, директор ИЦТЭиФ, доктор физико-математических наук Сергей Викторович Макаров, кандидат физико-математических наук Анна Николаевна Макрушина – занимаются уже на протяжении нескольких лет, получив около семи патентов на похожие способы получения интерметаллических пленок источников электронов и опубликовав более десятка статей по этой проблеме.

«Интерметаллическая пленка получается путем нанесения на  подложку (в нашем случае она стеклянная) нескольких слоев меди и олова. После этого мы проводим химическую реакцию между слоями меди и олова, в результате которой по всей поверхности пленки синтезируется интерметаллическое соединение Cu6Sn5 (здесь Cu это медь, а Sn это олово). Характерно, что синтез локализуется в совокупности множества реакционных островков, в результате чего на поверхности подложки формируются локальные монокристальные области, или интерметаллические островки. Каждый островок, из которых состоит интерметаллическая пленка, — это своеобразное острие, торчащие из поверхности пленки, которое может быть источником электронов в электрическом поле. В связи с тем, что поверхность пленки представляет собой высокоразвитую  островковую структуру, то в электрическом поле можно создать уже высокоинтенсивный поток электронов. Такие источники электронов могут использоваться в технологических установках по электронно-лучевой обработке металлов, сплавов, а  также в качестве эмитеров электронов в электронных ускорителях.

В частности, в Новосибирске сейчас разрабатывают электрон-позитронный коллайдер, где и может понадобиться мощный источник электронов», — поясняет Владимир Александрович Плотников.

Область практического применения разработок физиков АлтГУ – это все, что связано с модификацией структуры поверхности металлов и приданием ей определенных поверхностных свойств, таких как высокая прочность, высокая износостойкость, химическая стойкость к агрессивным средам. В лаборатории, где работают авторы данной разработки, проводятся исследования по созданию алмазоподобных пленок и покрытий, а также разрабатываются методы насыщения поверхностных металлических слоев детонационным наноалмазом.

«Возвращаясь к разработанному нами способу можно отметить, что интерметаллическая пленка – это высокоорганизованная структура. Она состоит из совокупности монокристаллов и что очень важно – она ориентирована в определенных кристаллографических направлениях, то есть мы, как разработчики, можем повлиять на ее свойства, задать необходимую нам кристаллографию конечного продукта.

Разрабатывая такие структуры, можно выйти на холодную эмиссию электронов. Это поможет в создании мощных источников электронов», — подчеркивает В.А. Плотников.

Остается добавить, что разработанный учеными Института цифровых технологий, электроники и физики Алтайского госуниверситета способ получения тонкой нанокристаллической интерметаллической пленки на стеклянной подложке вошел в перечень изобретений, получивших правовую охрану и включенных в базу победителей номинации Роспатента «100 лучших изобретений России» за 2019 год и первое полугодие 2020 года.

Условный электрический ток и реальный поток электронов

Добавлено 28 сентября 2020 в 10:59

«В стандартах хорошо то, что их так много, что есть из чего можно выбрать. »

Эндрю С. Таненбаум, профессор информатики

Положительный и отрицательный заряд электронов

Когда Бенджамин Франклин высказал свое предположение относительно направления потока заряда (от гладкого воска к грубой шерсти), он создал прецедент для электрических обозначений, который существует и по сей день, несмотря на тот факт, что мы знаем, что электроны являются составными единицами заряда, и что они перемещаются с шерсти на воск, а не с воска на шерсть, когда эти два вещества натираются друг об друга. Вот почему говорят, что электроны имеют отрицательный заряд: поскольку Франклин предполагал, что электрический заряд движется в направлении, противоположном тому, в котором он движется на самом деле, и поэтому объекты, которые он назвал «отрицательными» (представляющими недостаток заряда), на самом деле имеют избыток электронов.

К тому времени, когда было обнаружено истинное направление потока электронов, терминология «положительный» и «отрицательный» уже была настолько прочно закреплена в научном сообществе, что не было предпринято никаких усилий, чтобы изменить его, хотя называние электронов «положительными» дало бы больше смысла упоминанию «избытка» заряда. Видите ли, термины «положительный» и «отрицательный» являются изобретениями человека и, как таковые, не имеют абсолютного значения за пределами наших собственных условностей языка и научного описания. Франклин мог бы так же легко называть избыток заряда «черным», а недостаток – «белым», и в этом случае ученые могли бы говорить об электронах, имеющих «белый» заряд (при том же неверном предположении о распределении заряда между воском и шерстью).

Обозначение условного потока

Однако, поскольку мы склонны связывать слово «положительный» с «избытком», а «отрицательный» – с «дефицитом», стандартное обозначение заряда электрона кажется запоздалым. Из-за этого многие инженеры решили сохранить старую концепцию электричества с «положительным», относящимся к избытку заряда, и соответствующим образом обозначить поток заряда (электрический ток). Это стало известно как обозначение

условного потока:

Рисунок 1 – Обозначение условного потока.
Электрический заряд двигается от положительной (с избытком) стороны батареи к отрицательной (с дефицитом) стороне.

Обозначение потока электронов

Другие решили обозначить поток заряда в соответствии с фактическим движением электронов в цепи. Эта форма стала известна как обозначение потока электронов:

Рисунок 2 – Обозначение потока электронов
Электрический заряд двигается от отрицательной (с избытком) стороны батареи к положительной (с дефицитом) стороне.

В обозначении условного потока мы показываем движение заряда согласно (технически некорректным) меткам + и -. Таким образом, эти метки имеют смысл, но направление потока заряда указывается неверно. В обозначениях электронного потока мы следим за фактическим движением электронов в цепи, но метки + и — кажутся обратными. Действительно ли имеет значение, как мы обозначаем поток заряда в цепи? Не совсем, если мы единообразно используем наши символы. Вы можете следить за воображаемым направлением электрического тока (условный поток) или за фактическим (поток электронов) с равным успехом в том, что касается анализа схемы.

Концепции напряжения, тока, сопротивления, непрерывности и даже математические трактовки, такие как закон Ома (глава 2) и законы Кирхгофа (глава 6), остаются столь же актуальными для любого стиля записи.

Обозначение условного потока против обозначения потока электронов

Вы можете обнаружить, что обозначения условного потока используются большинством инженеров-электронщиков и приводятся на иллюстрациях в большинстве учебников. Электронный поток чаще всего встречается во вводных учебниках (однако от этого отходят) и в трудах профессиональных ученых, особенно физиков твердого тела, которым важно реальное движение электронов в веществах. Эти предпочтения носят культурный характер в том смысле, что определенные группы людей сочли полезным представить себе движение электрического тока определенными способами. Поскольку большинство анализов электрических цепей не зависит от технически точного описания потока заряда, выбор между обозначением условного потока и обозначением потока электронов является произвольным. .. почти.

Полярность и неполярность

Многие электрические устройства допускают наличие реальных токов любого направления без разницы в работе. Например, лампы накаливания (в которых используется тонкая металлическая нить накаливания, которая накаляется добела при достаточном токе), например, излучают свет с одинаковой эффективностью независимо от направления тока. Они даже хорошо работают на переменном токе (AC), где направление быстро меняется в зависимости от времени. Проводники и переключатели работают также независимо от направления тока. Технический термин для обозначения этой несущественности потока заряда – неполярность. Тогда мы могли бы сказать, что лампы накаливания, переключатели и провода являются неполярными компонентами. И наоборот, любое устройство, которое по-разному работает с токами разного направления, будет называться полярным.

В электрических цепях используется множество таких полярных устройств. Большинство из них сделано из так называемых полупроводниковых веществ и поэтому не рассматриваются подробно до третьего тома этой серии книг. Подобно выключателям, лампам и батареям, каждое из этих устройств представляется на схеме уникальным условным обозначением. Как можно догадаться, символы полярных устройств обычно содержат где-нибудь внутри стрелки, обозначающие предпочтительное или исключительное направление тока. Вот где действительно имеют значение конкурирующие обозначения условного и электронного потоков. Поскольку инженеры с давних времен остановились на условном потоке как на стандартном обозначении в своей «культуре», и поскольку инженеры – это те же люди, которые изобретают электрические устройства и придумывают для них обозначения, все стрелки, используемые в символах этих устройств, указывают в направлении обозначений условного потока, а не потока электронов. Иными словами, на всех условных обозначениях этих устройств есть стрелки, указывающие против направления реального потока электронов через них.

Возможно, лучший пример полярного устройства – это диод. Диод – это односторонний «клапан» для электрического тока, аналог обратного клапана для тех, кто знаком с водопроводными и гидравлическими системами. В идеале диод обеспечивает беспрепятственное прохождение тока в одном направлении (небольшое сопротивление или его отсутствие), но предотвращает прохождение тока в другом направлении (бесконечное сопротивление). Его условное графическое обозначение на схеме выглядит так:

Рисунок 3 – Условное обозначение диода

Помещенный в цепь батареи/лампы, он работает следующим образом:

Рисунок 4 – Работа диода в цепи постоянного тока

Когда диод направлен в правильном направлении, чтобы пропускать ток, лампа светится. В противном случае диод блокирует прохождение тока так же, как разрыв цепи, и лампа гореть не будет.

Если мы обозначим ток в цепи, используя обозначение условного потока, символ стрелки диода будет иметь смысл: треугольная форма указывает в направлении потока заряда, от положительного к отрицательному:

Рисунок 5 – Диод и обозначение условного потока

С другой стороны, если мы используем обозначение потока электронов, чтобы показать истинное направление движения электронов по цепи, стрелка обозначения диода будет указывать в противоположную сторону:

Рисунок 6 – Диод и обозначение потока электронов

Уже по этой причине многие люди предпочитают использовать условный поток при рисовании направления движения заряда в цепи. Если только нет других причин, обозначения, связанные с полупроводниковыми компонентами, такими как диоды, в этом случае имеют больше смысла. Однако другие люди предпочитают показывать истинное направление движения электронов, чтобы не говорить себе: «просто помни, что электроны на самом деле движутся в другую сторону», когда истинное направление движения электронов становится проблемой.

Что следует использовать: условный ток или поток электронов?

Обе модели дадут точные результаты при последовательном использовании, и они одинаково «правильны», поскольку являются инструментами, которые помогают нам понимать и анализировать электрические схемы. Однако в контексте электротехники условный ток распространен гораздо больше. В этом учебнике используется условный ток, и любой, кто намеревается изучать электронику в академической или профессиональной среде, должен научиться естественно думать об электрическом токе как о чем-то, что течет от более высокого напряжения к более низкому.

Оригинал статьи:

• Conventional Versus Electron Flow

Теги

ДиодОбучениеПостоянный токЭлектрический токЭлектричествоЭлектрон

Назад

Оглавление

Разница между электронным током и обычным током

Электрическая и электронная инженерия — это наука, связанная с электрическим током. Электрический ток можно разделить на электронный ток и обычный ток. Нужно понимать основы электронного тока, обычного тока и разницу между ними.

Возможно, вы слышали дебаты; который является правильным текущим электронным током или обычным током. Некоторые говорят, что обычный ток верен, другие говорят, что электронный ток верен. Возможно, вы знаете ответ, если изучали его раньше. В этой статье объясняются оба типа тока и различия между ними. Они совершенно одинаковы, поскольку оба представляют собой поток зарядов, также известный как электрический ток, но в некоторых аспектах они отличаются.

Похожие сообщения:

• Разница между переменным и постоянным током (ток и напряжение)
• Разница между электрическим током и электрическим зарядом
• Разница между током и напряжением

Прежде чем углубляться в различия между ними, давайте сначала изучим их основы и то, как они появились.

Содержание

Электрический ток

Поток заряженных частиц или скорость протекания электрического заряда через точку в проводящей среде называется электрическим током. Заряд частиц может быть отрицательным или положительным.

Электрический ток делится на два типа тока в зависимости от его направления.

Электронный ток

Поток отрицательно заряженных частиц, также известных как электроны, называется электронным током. Он течет от отрицательной клеммы источника питания к положительной клемме.

Каждый электрический проводник, обычно металл, состоит из свободных электронов в самой внешней оболочке или валентной оболочке. Это может легко вытечь из атома, если будет обеспечено достаточно энергии. При приложении напряжения или разности потенциалов свободные атомы перескакивают с одного атома на другой в направлении низкой разности потенциалов. Это приводит к электронному току.

Обычный ток

Ток, создаваемый потоком положительно заряженных частиц, называется обычным током. Он вытекает из положительной клеммы аккумулятора в отрицательную клемму. Другими словами, скорость течения дырок в проводнике через фиксированную точку называется обычным током.

Итак, технически поток электронов является правильным направлением потока тока. Но мы все еще используем обычный ток в электротехнике.

Похожие сообщения:

• Разница между однофазным и трехфазным источником питания
• Разница между электротехникой и электронной инженерией

Почему обычный ток, если правильный электронный ток?

Электричество было открыто до открытия электрона.

Предполагалось, что поток положительно заряженных частиц движется от положительного вывода к отрицательному. Но их предположение оказалось неверным, как только был открыт электрон. Таким образом, на практике электрический ток представляет собой поток электронов (отрицательно заряженных частиц), который движется от отрицательного вывода к внешней цепи, а затем к положительному выводу ячейки.

Поскольку обычный ток использовался задолго до открытия электронного тока, было установлено множество правил, законов и формул, которые могли бы вызвать путаницу у новых студентов, если бы они изменились в то время. Например, стреловидная форма диода представляет направление тока в транзисторах. Кроме того, правило левой и правой руки основано на обычном направлении тока. Однако направление тока не влияет на свойства цепи, если вы сохраняете его постоянным. Поэтому обычный ток принимается за стандартное направление тока.

Например, текущий закон Кирхгофа гласит, что сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла.

Изменение направлений не имеет значения, если вы сохраняете их неизменными на протяжении всей цепи. Закон по-прежнему верен для инвертирования направлений.

Похожие сообщения:

• Что такое сопротивление? Удельное сопротивление (ρ) и удельное сопротивление Ω.
• Что такое напряжение? его единица измерения, формула, типы и применение
• Что такое электроэнергия? Виды электроэнергии и их единицы

Различия между электронным током и обычным током

В следующем сравнительном списке показаны некоторые различия между электрическим и обычным током.

Электронный ток	Обычный ток
Электронный ток — это поток отрицательных зарядов или электронов через проводник.	Обычный ток — это поток положительных зарядов или дырок через проводящую среду.
Электронный ток течет от отрицательной клеммы к положительной клемме батареи.	Условный ток течет от положительной клеммы аккумулятора к отрицательной клемме.
Течет от электроотрицательного потенциала к электроположительному потенциалу.	Он течет от электроположительного потенциала к электроотрицательному потенциалу.
Электроотрицательный потенциал имеет более высокую плотность электронов по сравнению с электроположительным потенциалом.	Электроположительный потенциал имеет большую плотность положительного заряда по сравнению с электроотрицательным потенциалом, поэтому он вытекает.
Электронный ток технически является правильным направлением тока.	Его направление принято условно и технически неверно.
Открыт после открытия электричества.	Это направление было задано при открытии электричества.
Электрические правила, такие как правая и левая рука и многие другие, изменятся в этом направлении.	Многие символы электрических компонентов были разработаны на основе его направления, например, диод, транзистор
Это реальное и фактическое направление электрического тока.	Предполагается легко решать и анализировать электрические цепи.
Он используется в последних книгах и методах анализа цепей, особенно в книгах по электронной технике.	Это старая школа, используемая в основном в книгах по электротехнике.

В заключение этой статьи, направление тока не имеет значения. Важно сохранять постоянство схемы при рассмотрении любого из двух направлений. Технически поток электронов является правильным направлением, но обычный поток пробился через множество электрических формул, правил и графических представлений компонентов. Таким образом, это намного проще в использовании сейчас.

Related Posts:

• Разница между заземлением, заземлением и соединением
• Разница между активной и реактивной мощностью — Вт против ВА
• Разница между EMF и MMF
• Разница между напряжением и ЭДС?
• Разница между аналоговым и цифровым мультиметром
• Разница между аналоговой и цифровой схемой
• Разница между GFCI и AFCI
• Разница между микропроцессором и микроконтроллером
• Разница между 8085 и 8086 Микропроцессор
• Разница между последовательной и параллельной схемой

URL скопирован

Показать полную статью

Связанные статьи

Кнопка «Вернуться к началу»

Первый взгляд на гидродинамический поток электронов в трехмерных материалах

Электроны проходят через большинство материалов больше как газ, чем жидкость, то есть они мало взаимодействуют друг с другом. Долгое время предполагалось, что электроны могут течь как жидкость, но только недавние достижения в области материалов и методов измерения позволили наблюдать эти эффекты в двумерных материалах. В 2020 году лаборатории Амира Якоби, профессора физики и прикладной физики в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), Филипа Кима, профессора физики и профессора прикладной физики в Гарварде, и Рональда Уолсворта, ранее из физического факультета Гарварда были одними из первых, кто изобразил электроны, текущие в графене, как вода течет по трубе.

Полученные данные предоставили новую песочницу для изучения взаимодействия электронов и предложили новый способ управления электронами — но только в двумерных материалах. Электронная гидродинамика в трехмерных материалах оставалась гораздо более неуловимой из-за фундаментального поведения электронов в проводниках, известного как экранирование. Когда в материале высокая плотность электронов, как в проводящих металлах, электроны менее склонны взаимодействовать друг с другом.

Недавние исследования показали, что гидродинамический поток электронов в трехмерных проводниках возможен, но как именно это происходит и как его наблюдать, остается неизвестным. До сих пор.

Группа исследователей из Гарварда и Массачусетского технологического института разработала теорию, объясняющую, как гидродинамический поток электронов может возникать в трехмерных материалах, и впервые наблюдала его с помощью новой техники визуализации.

Исследование опубликовано в Nature Physics.

«Это исследование открывает многообещающие возможности для поиска гидродинамического потока и заметных взаимодействий электронов в материалах с высокой плотностью носителей», — сказал Принеха Наранг, доцент кафедры вычислительного материаловедения в SEAS и старший автор исследования.

Гидродинамический поток электронов зависит от сильного взаимодействия между электронами, так же как вода и другие жидкости зависят от сильного взаимодействия между их частицами. Чтобы течь эффективно, электроны в материалах с высокой плотностью располагаются таким образом, что ограничивают взаимодействия. По той же причине групповые танцы, такие как электрическая горка, не предполагают большого взаимодействия между танцорами — с таким количеством людей каждому легче выполнять свои собственные движения.

«На сегодняшний день гидродинамические эффекты в основном выводятся из транспортных измерений, что эффективно смешивает пространственные сигнатуры», — сказал Якоби. «Наша работа наметила другой путь в наблюдении за этим танцем и понимании гидродинамики в системах за пределами графена с помощью новых квантовых зондов электронных корреляций».

Исследователи предположили, что вместо прямого взаимодействия электроны в материалах с высокой плотностью могут взаимодействовать друг с другом через квантовые колебания атомной решетки, известные как фононы.

«Мы можем думать о фононно-опосредованном взаимодействии между электронами, представляя двух людей, прыгающих на батуте, которые толкают друг друга не напрямую, а скорее за счет силы упругости пружин», — сказал Ясянь Ван, докторант в NarangLab в SEAS и соавтор исследования.

Чтобы наблюдать за этим механизмом, исследователи разработали новый криогенный сканирующий зонд на основе азотно-вакансионного дефекта в алмазе, который отображал локальное магнитное поле тока, протекающего в материале, называемом слоистым полуметаллическим дителлуридом вольфрама.

«Наш крошечный квантовый датчик чувствителен к небольшим изменениям в локальном магнитном поле, что позволяет нам напрямую исследовать магнитную структуру материала», — сказал Ури Вул, выдающийся научный сотрудник Джона Гарварда и соавтор исследования.

Исследователи не только обнаружили доказательства гидродинамического течения в трехмерном дителлуриде вольфрама, но также обнаружили, что гидродинамический характер течения сильно зависит от температуры.

«Гидродинамический поток происходит в узком режиме, когда температура не слишком высока и не слишком низка, поэтому уникальная способность сканировать в широком диапазоне температур имеет решающее значение, чтобы увидеть эффект», — сказал Ассаф Хамо, научный сотрудник с докторской степенью. Yacoby lab и соавтор исследования.

«Возможность отображать и проектировать эти гидродинамические потоки в трехмерных проводниках в зависимости от температуры открывает возможность создания электроники почти без диссипации в наноразмерных устройствах, а также дает новый взгляд на понимание электрон-электронных взаимодействий. », — сказал Георгиос Варнавидес, аспирант NarangLab в SEAS и один из ведущих авторов исследования. «Исследование также прокладывает путь для изучения неклассического поведения жидкости в гидродинамическом потоке электронов, такого как стационарные вихри».

«Это интересная междисциплинарная область, в которой синтезируются концепции от науки о конденсированных состояниях и материаловедения до вычислительной гидродинамики и статистической физики», — сказал Наранг. В предыдущем исследовании Варнавидес и Наранг классифицировали различные типы гидродинамического поведения, которые могут возникать в квантовых материалах, где электроны движутся коллективно.