Benötigt Spannung eine Schaltung?

Ich fange gerade an zu verstehen, wie Elektrizität wirklich funktioniert. Ich verstehe, dass es Spannung, Verstärker und Widerstand gibt. Wenn Elektrizität Wasser ist, entspricht die Spannung dem Druck des Wassers, und Ampere sind die Wassermenge, die in einer bestimmten Zeit durch einen bestimmten Punkt fließt. Der Widerstand entspricht der Breite der Wasserleitung.

Ich weiß auch, dass Elektrizität in einem "Stromkreis" fließen muss. Grundsätzlich herum und herum. Mit anderen Worten, es muss irgendwo hin. Wenn es keinen Stromkreis gibt, gibt es keinen Strom.

Ich weiß auch, dass ein MOSFET-Transistor "spannungsgesteuert" und nicht "ampgesteuert" ist. Ich glaube auch, dass ein MOSFET ein wenig anders funktioniert als ein Bipolar Junction Transistor, weil der Strom vom Gate in einem MOSFET nicht zum Drain fließt, weil ein Isolator ihn stoppt.

Dies lässt mich jedoch über die Grundlagen einer "Schaltung" nachdenken. Nach dem, was ich in einigen Erklärungen zu Online-Simulationen von CPUs gesehen habe, wie zum Beispiel in diesem Blog-Beitrag von Ken Shirriff, stoppt der Draht, der zum Gate eines MOSFET führt, nachdem er das Gate erreicht hat. Dies lässt mich denken, dass es keine "Schaltung" für den Gate-Draht eines MOSFET gibt, da er nur stoppt.

Ich kann mir zwei mögliche Erklärungen dafür vorstellen:

1. Wenn Sie ein Kabel an den Pluspol einer Batterie anschließen, hat es Volt, obwohl keine Ampere fließen, weil kein Stromkreis vorhanden ist. Mit anderen Worten, Volt erfordern keinen fließenden Strom. Dies würde erklären, warum der Gate-Draht eines MOSFET tatsächlich keine "Schaltung" zur Steuerung des Transistors benötigt.
2. Es gibt tatsächlich eine Schaltung, es ist nur so, dass der Draht, der zum Gate des MOSFET fließt, tatsächlich nur ein Ableger eines anderen Drahtes ist, der eine Schaltung vervollständigt.

Können Sie mir bitte helfen, dieses Missverständnis auszuräumen?

Siehe meine vorherige Antwort: Ist Spannung die Geschwindigkeit der Elektronen?

Spannung wird am besten als Feld betrachtet . Wir sind es gewohnt, Gravitationsfelder als völlig einheitlich zu betrachten, Magnetfelder jedoch nicht. Wenn Sie ein Stück Eisenmetall an einem Pol eines Magneten befestigen, erweitert es das Feld hinein. Ebenso kann das elektrische Feld zwischen den beiden Polen einer Spannungsquelle mit elektrischen Leitern erweitert werden.

Diese Erweiterung des Feldes erstreckt sich den ganzen Weg zu dem Feld innerhalb des Feldeffekttransistors.

(Das Wissen über Felder beseitigt viele Missverständnisse, die durch das Nachdenken über Elektronen entstehen. Ignorieren Sie die Elektronen.)

Bearbeiten: so ist die Erklärung fast genau Ihre (1) mit einem Detail anders. Der Hinweis von Dirac16 ist wichtig. Die Gate-zu-Kanal-Isolierung hat eine Kapazität . Die Schaltung sieht also aus wie ein Kondensator. Diese beiden Schaltkreise sind äquivalent (ignorieren Sie die Werte):

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Es gibt also keinen stationären Gleichstromfluss, aber beim Anschließen des Stromkreises lädt sich der Kondensator auf, und während er geladen wird, fließt ein Strom. Dies ist beim Entwurf von Leistungs-MOSFET-Systemen sehr wichtig: Sie müssen in der Lage sein, für sehr kurze Zeit einen ausreichenden Strom zu liefern.

Spannung kann ohne Stromkreis vorhanden sein. Zumindest kann es schwierig sein zu erkennen, was die Schaltung ist. Wenn Sie beispielsweise einen Blitzeinschlag sehen, wird dieser durch eine große Potentialdifferenz (auch als "Spannung" bezeichnet) zwischen dem Boden und einer Wolke oder zwischen zwei Wolken verursacht.

Tatsächlich wurde diese Potentialdifferenz entwickelt, als der Wind Elektronen von einem Ort nahm und sie woanders ablagerte. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Sie jemals genau herausfinden werden, woher die Elektronen, die eine Wolke negativ geladen haben, stammen oder wohin die Elektronen, die entfernt wurden, um eine Wolke positiv aufzuladen, dorthin gingen.

Eine Vakuumröhre erleichtert die Vorstellung (MOSFET).

Stellen Sie sich zwei Metallplatten im Vakuum vor. Man ist sehr heiß und Elektronen werden daraus zu einem nahe gelegenen Elektronengas "gekocht". Sie bleiben in der Nähe dieser Kochplatte, weil sie, nachdem sie sie verlassen hat, jetzt positiv geladen ist und sie sich von ihr angezogen fühlen. Aber mehr kochen ab, damit die Wolke bleibt. Im Gleichgewicht wird es eine gleiche Anzahl von Elektronen geben, die kochen, als würden sie sich wieder an die nahegelegene Heizplatte aus Metall anheften, aber aufgrund all dieser Erwärmung wird eine kleine Gaswolke von Elektronen vorhanden sein.

Machen Sie nun die andere Platte sehr positiv geladen. Die Elektronen im "Gas" bewegen sich in Richtung der sehr positiven Platte und wandern über das Vakuum, um dorthin zu gelangen. Normalerweise würde dies irgendwann aufhören, da die Heizplatte auch positiver geladen wird, wenn mehr Elektronen abkochen und austreten. Irgendwann hört das Ganze einfach wieder auf. Solange Sie der Heizplatte, die Elektronen abkocht, mehr Elektronen hinzufügen, können mehr Elektronen fließen und es fließt ein kontinuierlicher Strom. Dies ist praktisch eine Vakuumdiode. Wenn Sie eine Spannungsquelle über die beiden Metallplatten legen, so dass die negative Seite mit der Heizplatte verbunden ist und die positive Seite mit der Kühlplatte verbunden ist, können die Elektronen weiter abkochen und es kommen mehr Elektronen an, um sie zu ersetzen. (Umkehren funktioniert nicht, weil fast keine Elektronen von der Kühlplatte kochen. Alles was passiert ist, dass Sie die Elektronenwolke etwas näher an die Heizplatte zurückziehen.)

Stellen Sie sich nun die Vakuumdiode vor, die wieder mit Strom betrieben wird. Sie legen einen Metallschirm (wie eine Gittergittertür) zwischen die beiden ursprünglichen Platten und ziehen dafür einen dritten Draht heraus. (Alles befindet sich jedoch immer noch in einem Vakuum.) Der Bildschirm hat so große Löcher, dass fast alle von ihnen, wenn sich die Elektronen bewegen, es übersehen und einfach weitergehen. Einige mögen daran festhalten, aber wenn ja, fügen sie der ansonsten neutralen Oberfläche nur eine geringe negative Ladung hinzu (die Elektronen bleiben auf der Oberfläche dieses Bildschirms, weil sie sich auch gegenseitig abstoßen), und diese negative Ladung macht es unwahrscheinlicher dass zusätzliche Elektronen haften bleiben. Stattdessen werden sie mit Sicherheit durch diese Löcher im Bildschirm gehen.

Angenommen, Sie schließen jetzt eine andere Batterie an, diesmal jedoch mit der positiven Seite an der Heizplatte und der negativen Seite am Bildschirm. Dies macht den Bildschirm viel negativer als die Heizplatte und "filtert" die Fähigkeit der Elektronen heraus, die sehr positive Kühlplatte auf der anderen Seite zu "bemerken". Negativ genug, die Elektronen bewegen sich nicht über die Distanz und bleiben stattdessen einfach neben der Heizplatte. Wenn Sie diese negative Bildschirmspannung jedoch ausreichend nach unten einstellen, wird ein Teil dieser sehr positiven Anziehungskraft von einigen Elektronen bemerkt, die sich versehentlich weiter von der Heizplatte entfernt haben als andere, und sie können den negativen Bildschirm vermeiden und durchkommen die Löcher und dann wieder sehr stark in Richtung Platte beschleunigt werden. Es wird jedoch weniger sein,

Der Bildschirm kann also verwendet werden, um den Stromfluss zwischen der Heizplatte (als Kathode bezeichnet) und der kalten positiven Platte (als Anode bezeichnet) zu "moderieren". Der Bildschirm tut dies ohne eigenen Strom (er stößt die Elektronen ab als es ist negativ geladen.)

Obwohl die MOSFET-Details sehr unterschiedlich sind, kann dies Ihnen eine Vorstellung davon geben, wie ein Feld und nur ein Feld einen Stromfluss beeinflussen kann, ohne tatsächlich als eine eigene vollständige Schaltungsschleife zu erscheinen.

Es dauert natürlich einen winzigen "Strom" für einen Moment, um den Bildschirm aufzuladen. Aber sobald ein paar Elektronen da sind, ist es ziemlich effektiv.

Ein weiterer interessanter Hinweis, den Sie berücksichtigen sollten. Warum sollte ein Elektronenstrom innerhalb eines Drahtes dem Draht um eine Biegung folgen? Physikalisch muss es etwas geben, das all diese Billiarden Elektronen, die vorbeifließen, dazu zwingt, die Wende zu nehmen! Es können nur ein oder zwei Elektronen sein, die in der Nähe dieser Biegung an der Oberfläche haften, damit sich all diese Elektronen drehen !! Ernsthaft! Wenn Sie also einen Draht biegen und einen Strom durch ihn leiten, bleiben nur ein oder zwei oder drei zusätzliche Elektronen (natürlich im Gleichgewicht) an der Oberfläche der Biegung haften, und das ist völlig genug zusätzliche Kraft, um einen riesigen Strom von zu verursachen Elektronen krümmen sich und biegen sich mit dem Draht.

Es ist ziemlich beeindruckend, wenn man darüber nachdenkt. Elektrische Felder sind sehr stark .

Grobe Faustregel: Induktivitäten "speichern Strom", während Kondensatoren "Spannung speichern". * 1 Ein Kondensator kann eine Spannung aufrechterhalten, während er auf einem Regal sitzt und von einem Stromkreis getrennt ist.

Also nein, wir brauchen keinen Stromkreis, um eine Spannung zu haben.

Oder die physikalische Version: Um ein konstantes elektrisches Potential zu erzeugen, muss immer elektrische Ladung vorhanden sein. Eine geladene Metallkugel ist von einem radialen E-Feld und einer konzentrischen Anordnung von Äquipotentialen umgeben, der "Spannung im Raum". Es ist keine Schaltung beteiligt. Sogar ein einzelnes Elektron oder Proton weist im umgebenden Bereich ein Spannungsmuster auf. Die Spannung ist eine Methode zur Messung von E-Feldern. (Und E-Felder können existieren, ohne dass Stromkreise vorhanden sind. Es darf nur elektrische Ladung vorhanden sein.)

Coole Animation von Spannungsmustern um Ladungen während der Ladungstrennung. Die Linien sind E-Feld-Flüsse, während die Spannung als senkrechte Linien erscheinen würde, die über die Flusslinien verlaufen. Im Wesentlichen ist dies eine Animation eines geladenen Kondensators, beginnend bei Null.

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Wenn es keinen Stromkreis gibt, gibt es keinen Strom.

Wenn es keinen Stromkreis gibt, wird "Elektrizität" an Ort und Stelle angehalten. (Wenn das Wort "Elektrizität" so definiert ist, wie es die Physikeinheiten Maxwell / Faraday / Einstein und SI definiert haben.) Metalle sind voller immenser Ladungsmengen, beweglicher Elektronen. Während des elektrischen Stroms in Kupferdrähten muss diese "Elektrizität" in einem geschlossenen Kreis oder "vollständigen Stromkreis" fließen. Hüten Sie sich davor, die Bewegung der Elektrizität als eine Art zu verwechselnvon Elektrizität. Viele naturwissenschaftliche Bücher der Grundschule machen diesen Fehler. Sind sie richtig, wenn sie sagen, dass "Elektrizität" eine fließende Bewegung ... von Elektrizität ist? Was?! Nein! Oder verschwindet "Elektrizität", wenn sich der Strom nicht mehr bewegt? Nee. Strom, die Ladungen, waren bereits im Metall, noch bevor es zu Drähten verarbeitet wurde. Es ist richtig zu sagen, dass, wenn sich Elektrizität in Bewegung setzt, "elektrischer Strom" erscheint.

* 1 Kondensatoren speichern tatsächlich Energie in Form eines E-Feldes, wobei die Energie proportional zur quadratischen Spannung ist.