Probleme:
Erstens "kommen" Ströme nicht vom Pluspol. Das ist ein weit verbreitetes Missverständnis, das in Elektrizitätslehrbüchern für Grundschulen als "sequentieller Irrtum" bezeichnet wird. Das Grundproblem ist, dass Drähte nicht wie leere Rohre sind. Und das Netzteil füllt sie nicht aus. Stattdessen sind die Drähte bereits mit Ladung gefüllt, sodass Ströme immer und überall gleichzeitig in einem Stromkreis auftreten. ("Strom" bedeutet Ladungsfluss. Wenn ein Kreis beweglicher Ladungen fließt, erscheint "Strom" im gesamten Ring. Das ist die Grundregel für den Stromkreis.)
Mit anderen Worten, Stromkreise verhalten sich wie Räder und Riemen. Ebenso kommt das Metall einer Fahrradkette nicht von einer bestimmten Stelle auf dem Kettenrad. Es beginnt nicht an einem Punkt. Stattdessen besteht der gesamte Kreis aus einer Kette. Außerdem war die gesamte Kette vorhanden, bevor eine Stromversorgung vorhanden war. Bei Fahrradketten dreht sich das Ganze, wenn eine Kraft ausgeübt wird. Bei Stromkreisen, wenn ein Potential bestehtPotentialdifferenz angelegt wird, werden alle beweglichen Ladungen in den Ring (innerhalb der Schaltung,) sie alle Start- als eine Einheit bewegen, wie eine feste Kette in einem vollständigen Kreis. Diese Ladungen befanden sich jedoch bereits in den Kabeln, bevor eine Batterie angeschlossen wurde. Drähte sind wie wassergefüllte Schläuche.
Zweitens kann elektrisches Potential nur zwischen zwei Punkten existieren, und ein einzelner Punkt in einem Stromkreis hat niemals "eine Spannung". Dies ist richtig, weil die Spannung ein bisschen wie die Höhe ist: Ein Objekt kann keine Höhe haben, da die Höhe nur zwischen zwei Punkten gemessen werden kann. Es ist sinnlos, die Höhe oder Länge oder Höhe eines Objekts zu diskutieren. Höhe über was? Über dem Boden? Über dem Boden außerhalb des Gebäudes? Höhe über dem Erdmittelpunkt? Jedes Objekt wird unendlich viele Höhen gleichzeitig haben!
Die Spannung hat genau das gleiche Problem: Eine Klemme kann im Vergleich zu einer anderen Klemme nur "eine Spannung haben". Spannung wirkt wie Länge: Spannung und Länge sind doppelendige Messungen. Mit anderen Worten, ein Anschluss in einem Stromkreis hat immer viele verschiedene Spannungen gleichzeitig, je nachdem, wo wir die andere Messleitung platzieren.
Drittens wird in Schaltkreisen die Antriebskraft von den positiven und den negativen Stromversorgungsanschlüssen gleichzeitig bereitgestellt . Und das Wichtigste: Der Weg für den Strom führt über die Stromversorgung. Netzteile sind Kurzschlüsse. Ein ideales Netzteil wirkt wie ein ohmscher Widerstand. Denken Sie darüber nach: In einer Dynamospule passieren die Ladungen die Spule und gehen wieder zurück. Der Draht hat einen sehr geringen Widerstand. Gleiches gilt für Batterien: Der Stromweg führt durch die Batterie und wieder heraus. Die Batterieplatten werden durch sehr leitenden Elektrolyten kurzgeschlossen.
Beispiel:
Hier ist eine korrekte Beschreibung einer Taschenlampe. Die Ladungen beginnen im Inneren des Wolframfilaments. Wenn der Schalter geschlossen und der Stromkreis geschlossen ist, wird ein Ende des Heizfadens positiv und das andere negativ geladen. Dies zwingt die eigenen Ladungen des Filaments dazu, zu fließen. Die Ladungen bewegen sich aus dem Filament heraus und in einen Draht, während gleichzeitig mehr Ladungen in das andere Ende des Filaments gelangen. Diese Ladungen werden von den Metalldrähten geliefert (und bevor der Schalter eingeschaltet wurde, waren alle Leiter bereits mit beweglichen Ladungen gefüllt.) Wenn Sie fortfahren, fließen die im Filament enthaltenen Ladungen in einen Draht und gelangen langsam zur Batterie (dauert Minuten oder Stunden, um dorthin zu gelangen), dann durch den Akku fließen und wieder heraus. Sie verlassen das andere Terminal der Batterie. zurück zum anderen Ende des Filaments fließen, dann landen sie dort, wo sie begonnen haben. Eine "komplette Schaltung". Die Ladungen sind wie ein Antriebsriemen oder wie ein rotierendes Rad oder eine Fahrradkette. Die Batterie treibt die Ladungen an, liefert aber nicht die Ladungen. Das Kupfer und das Wolfram liefern die Ladungen, die in der Taschenlampenschaltung fließen. Die Ladevorgänge verlaufen recht langsam, aber da sich alle gleichzeitig zu bewegen beginnen, leuchtet die Glühbirne sofort auf, auch wenn die Drähte recht lang sind.
Viertens: Alle positiven Ionen in einer Batterie sind extrem beweglich . Sie sind sicherlich nicht an Ort und Stelle gesperrt. Wenn dies der Fall wäre, wären Batterien Isolatoren und würden nicht funktionieren. Einige Batterien basieren auf dem Fluss positiver Ionen in die eine und negativer Ionen in die andere Richtung. Blei-Säure-Batterien sind unterschiedlich. In der Säure fließen nur die Protonen. Säuren sind Protonenleiter.
Aber Vorsicht: Batterien bieten eine zusätzliche Komplexität, die eine Erklärung verlieren kann.
Ersetzen Sie stattdessen die Batterie Ihrer Taschenlampe durch eine große Spule und einen Supermagneten. Schließen Sie es an die Glühbirne an. Schieben Sie den Supermagneten in die Spule, und die Glühbirne blinkt kurz auf. Woher kamen die Anklagen? Wie kann ein sich bewegender Magnet Ladungen erzeugen? ES TUT NICHT. Dynamos und Batterien sind Ladungspumpen. Der sich bewegende Magnet zwingt die eigenen Ladungen des Drahtes, sich zu bewegen. (Eine Pumpe liefert nicht das zu pumpende Material!) Der sich bewegende Magnet verursacht einen Strom, weil er eine EM-Pumpkraft auf die beweglichen Ladungen ausübt, die sich bereits im Metall befinden.
Schlechter Dirigent. Schlecht!
Hier ist eine Klarstellung. Viele Intro-Lehrbücher enthalten die falsche Definition von "Dirigent". Völlig falsch und extrem irreführend. Sie werden Ihnen beibringen, dass Leiter "Ladungen durchlassen" (oder sie Strom durchlassen oder Strom.) Nein. Leiter sind keine Hohlrohre. Leiter sind für Elektrizität nicht transparent. Stattdessen bedeutet "Dirigent" "ein Material, das voller mobiler Gebühren ist". Leiter sind wie Tanks voller Wasser. Sie sind wie Aquarien oder wie vorgefüllte Rohre. Leiter folgen dem Ohmschen Gesetz: Wenn wir eine Spannungsdifferenz an die Enden eines Drahtes anlegen, hängt der Ladungsfluss vom Drahtwiderstand ab, I = V * R. Es sind die Ladungen des Drahtes, die das Fließen bewirken. Denken Sie darüber nach: Luft ist ein Isolator, auch Vakuum ist ein Isolator, aber wie kann Vakuum den Ladungsfluss blockieren? Vakuum muss nicht. In einem Vakuum sind keine beweglichen Ladungen vorhanden, das macht es isolierend.)
All dies führt zu einem wichtigen Konzept. Immer wenn wir ein Stück Draht nehmen und die Enden zu einer geschlossenen Schleife zusammenhaken, haben wir einen "unsichtbaren Antriebsriemen" geschaffen, eine Schleife beweglicher Ladung innerhalb des sich nicht bewegenden Drahtes. Wenn Sie einen Magnetpol in die Metallschlaufe stecken, bewegen sich alle Ladungen des Drahtes wie ein Rad. Es ist ein ringförmiger Swimmingpool, und wenn wir auf das Wasser drücken, können wir alles Wasser wie ein Schwungrad drehen lassen, während der Pool selbst still bleibt.
FÜNFTE , Ströme sind nicht rückwärts, weil elektrische Ströme keine Elektronenflüsse sind.
Insbesondere hängt die Polarität der fließenden Ladungen von der Art des Leiters ab. Ja, in festen Metallen sind die beweglichen Ladungen Elektronen. Es gibt jedoch eine große Anzahl von Leitern, in denen sich keine Elektronen bewegen können. Die nächsten sind Ihr Gehirn und Ihr Nervensystem: gleichzeitige positive und negative Ionenströme in entgegengesetzten Richtungen, ohne dass Elektronenströme auftreten. Salzwasser, die "Elektrolyte" einschließlich des Bodens und der Ozeane sind keine Elektronenleiter.
Seltsameres Beispiel: Säuren sind leitend, weil sie mit + H-positiven Wasserstoffionen gefüllt sind. Ein anderer Name für ein + H-Ion ist ... "das Proton". Wenn Sie einige Ampere durch Säure setzen, ist der Strom ein Fluss von Protonen. (Heh, wenn es einige Bodenströme im Schmutz gibt und der Schmutz eher sauer als salzig ist, dann sind diese Ströme Protonenströme!)
Mit anderen Worten, "Ampere" können fließende Elektronen oder Protonen sein, oder positives Natrium, das durch negatives Chlorid fließt und in die andere Richtung geht. Oder schnelle Elektronen gehen in einem Funken in eine Richtung, während langsame Stickstoffionen vorwärts oder rückwärts gehen, je nachdem, ob sie pos oder neg ionisiert sind. Und in Halbleitern vom p-Typ ist der Strom ein Fluss von "Gitterlücken" im Kristall! (Jede freie Stelle setzt ein überschüssiges Siliziumproton frei, sodass jede freie Stelle eine echte positive Ladung trägt. "Löcher" bewegen sich durch Elektronentransfer, aber jedes Loch ist wirklich positiv geladen.)
Wie können wir bei all der Komplexität beschreiben, was in Schaltkreisen vor sich geht? Einfach: es ist schon für uns erledigt. Wir vertuschen die sich bewegenden Ladungen und ignorieren sie. Wir ignorieren ihre Strömungsgeschwindigkeit und ihre Menge. Wir ignorieren ihre Polarität. Stattdessen addieren wir alle verschiedenen Ladungen, die sich in einem Leiter befinden könnten, berechnen die Gesamtdurchflussrate und nennen dies "Ampere". Ist Ihr Dirigent ein Schlauch voller Salzwasser? Legen Sie ein Zangenamperemeter darum und lesen Sie die Ampere ab. Die Ionendichte spielt keine Rolle. Die Ionengeschwindigkeit spielt keine Rolle, und es könnte sogar ein Säureschlauch voller Protonen anstelle eines Meerwasserschlauchs sein. Ampere sind Ampere.
Ampere werden auch als "konventioneller Strom" oder einfach als "elektrischer Strom" bezeichnet.
Sehr wichtig: Ampere sind kein Ladungsfluss. Ein Dirigent hat vielleicht einen Ampere, aber das sagt nichts über die Ladungen im Inneren aus. Es könnten ein paar Ladungen schnell oder viele Ladungen langsam fließen. Es könnte positive Ladungen geben, die vorwärts oder rückwärts gehen, oder beides gleichzeitig (wie bei menschlichen Körpern, die einen Gleichstrom-Stromschlag erhalten) konventioneller Strom.
OK, zurück zu GND versus COM versus EARTH.
"Ground" ist verwirrend, weil das Wort fast immer falsch verwendet wird.
In Stromkreisen wählen wir fast immer eine Stromversorgungsklemme als "gemeinsame Klemme" und schließen eine Voltmeterleitung an. Es ist nicht geerdet, daher sollten wir es nicht als "Erde" bezeichnen (es ist nicht mit einem Metallpfahl verbunden, der in Schmutz geraten ist!). Stattdessen ist es nur der traditionelle Punkt für Spannungsmessungen. Es ist eine stille Vereinbarung! Da es sich bei Spannungen um komplizierte Doppelendmessungen handelt, werden die Dinge vereinfacht, wenn wir so tun , als wären sie einseitig. Schließen Sie also Ihr schwarzes Voltmeter-Kabel an den "Stromkreis" an und ignorieren Sie es.
Stellen Sie sich nun vor, dass die rote Sonde Ihres Voltmeters tatsächlich die SPANNUNG EINES TERMINALS messen kann. Aber Klemmen können keine Spannung haben! Ja, richtig. Aber wir tun stillschweigend so. Jeder Punkt im Stromkreis kann eine Spannung haben ... in Bezug auf einen anderen Stromkreispunkt. Wenn wir über Höhen sprechen, könnten wir immer unsere Messungen in Bezug auf den Meeresspiegel durchführen, dann niemals den Meeresspiegel erwähnen und dann so tun, als ob Objekte und Orte "eine Höhe haben" könnten, wenn dies tatsächlich unmöglich ist.
Neue Studenten werden verwirrt, wenn wir über die "Spannung eines Terminals" sprechen. Eigentlich meinten wir "die Spannung, die zwischen einem Terminal und dem Circuit Common auftritt ". Aber das ist zu viel, um es die ganze Zeit zu wiederholen. Wir sagen still "Spannung zwischen, Spannung zwischen", während wir tatsächlich "Spannung an diesem Punkt" oder an diesem anderen Punkt sagen. Ja, dann denken alle neuen Studenten, dass ein einzelner Anschluss eine Spannung haben kann.
Ist der negative Versorgungsanschluss der gemeinsame Stromkreis? Ja, normalerweise. Ich habe sehr alte Funkgeräte mit PNP-Transistoren und einer negativen Versorgungsspannung mit "positiver Masse" gesehen. Der positive Batterieanschluss ist der gemeinsame Stromkreis. Alle Messungen im Schaltplan sind negative Spannungen. Abgesehen von Radios der 1950er-Jahre passiert dasselbe bei alten VW-Käfern und einigen Motorrädern. Der positive Batterieanschluss ist mit dem Chassis verbunden, sodass der "Versorgungsanschluss" der negative ist. Installieren Sie in einem alten VW kein normales Autoradio, da es beim Einschalten der Zündung kurzgeschlossen wird oder Feuer fängt. Stromversorgung war verkehrt herum.
Alles, was wir tun müssen, ist, alle sammelbaren japanischen PNP-Transistorradios der 1950er Jahre, VW-Käfer und Motorräder mit Plus-Masse zu beseitigen, und dann wird Circuit Common immer und für immer der negative Versorgungsanschluss sein. Nun, es sei denn, es handelt sich um ein seltsames, elektrisch schwebendes Industriesensorsystem mit einer Mischung aus Wechselstrom und Operationsverstärkerschaltungen mit virtueller Erdung.