양전하와 음전하 전자 전하
벤저민 프랭클린이 전하 흐름 방향(매끄러운 왁스에서 거친 양모로)에 대한 추측을 했을 때, 그는 오늘날까지 존재하는 전기적 표기법에 대한 선례를 만들었습니다. 전자가 전하의 구성 단위이며, 두 물질을 문지르면 전자가 양모에서 왁스로 이동한다는 것을 알고 있음에도 불구하고 말입니다. 이것이 전자가 음전하를 띤다고 하는 이유입니다 . 프랭클린은 전하가 실제와 반대 방향으로 이동한다고 가정했기 때문에, 그가 "음전하"(전하 부족을 나타냄)라고 부르는 물체는 실제로 전자가 과잉이기 때문입니다.
전자 흐름의 진정한 방향이 발견되었을 때, "양"과 "음"이라는 명칭은 과학계에서 이미 너무나 확립되어 있어서 그것을 바꾸려는 시도는 없었지만, 전자를 "양"이라고 부르는 것이 "과도한" 전하를 지칭하는 데 더 의미가 있을 것입니다. 아시다시피, "양"과 "음"이라는 용어는 인간의 발명품이며, 따라서 우리의 언어 관습과 과학적 설명을 넘어서는 절대적인 의미가 없습니다. 프랭클린은 전하의 과잉을 "검정"이라고, 부족을 "흰색"이라고 부르는 것도 쉽게 할 수 있었고, 그럴 경우 과학자들은 전자가 "흰색" 전하를 가지고 있다고 말할 것입니다(왁스와 양모 사이의 전하 위치에 대한 동일한 잘못된 추측을 가정).
기존 흐름 표기법
그러나 우리는 "양"이라는 단어를 "잉여"와 "음"이라는 단어를 "부족"과 연관시키는 경향이 있기 때문에 전자 전하의 표준 라벨은 뒤떨어진 것처럼 보입니다. 이 때문에 많은 엔지니어는 전하의 잉여를 나타내는 "양"이라는 전기의 오래된 개념을 유지하고 그에 따라 전하 흐름(전류)을 라벨로 표시하기로 했습니다. 이것이 기존 흐름 표기법으로 알려지게 되었습니다.
전자 흐름 표기법
다른 사람들은 회로에서 전자의 실제 움직임에 따라 전하 흐름을 지정하기로 했습니다. 이러한 형태의 기호는 전자 흐름 표기법으로 알려지게 되었습니다.
기존 흐름 표기법에서는 +와 -의 (기술적으로 부정확한) 라벨에 따라 전하의 움직임을 보여줍니다. 이런 방식으로 라벨은 의미가 있지만 전하 흐름의 방향은 부정확합니다. 전자 흐름 표기법에서는 회로에서 전자의 실제 움직임을 따르지만 +와 - 라벨은 역방향으로 보입니다. 회로에서 전하 흐름을 어떻게 지정하는지는 정말 중요할까요? 기호 사용에 일관성이 있는 한 중요하지 않습니다. 회로 분석과 관련하여 상상의 전류 방향(기존 흐름)이나 실제(전자 흐름)를 똑같이 성공적으로 따를 수 있습니다. 전압, 전류, 저항, 연속성, 심지어 옴의 법칙(2장)과 키르히호프의 법칙(6장)과 같은 수학적 처리 개념은 두 가지 표기법 스타일에서 모두 유효합니다.
기존 흐름 표기법 대 전자 흐름 표기법
대부분의 전기 엔지니어가 따르고 대부분의 공학 교과서에 그림으로 설명된 기존 흐름 표기법을 찾을 수 있습니다. 전자 흐름은 입문 교과서(이 책은 벗어나고 있지만)와 전문 과학자, 특히 물질에서 전자의 실제 운동을 다루는 고체 물리학자의 글에서 가장 자주 볼 수 있습니다. 이러한 선호도는 특정 그룹의 사람들이 특정 방식으로 전류 운동을 상상하는 것이 유리하다고 생각한다는 의미에서 문화적입니다. 대부분의 전기 회로 분석이 전하 흐름의 기술적으로 정확한 묘사에 의존하지 않는다는 점에서 기존 흐름 표기법과 전자 흐름 표기법 사이의 선택은 임의적입니다... 거의.
편광과 비극성
많은 전기 장치는 작동에 차이가 없이 어느 방향이든 실제 전류를 허용합니다. 예를 들어 백열등(충분한 전류로 백열로 빛나는 얇은 금속 필라멘트를 사용하는 유형)은 전류 방향에 관계없이 동일한 효율로 빛을 생성합니다. 심지어 방향이 시간이 지남에 따라 빠르게 변하는 교류(AC)에서도 잘 작동합니다. 도체와 스위치도 전류 방향에 관계없이 작동합니다. 전하 흐름의 이러한 무관성에 대한 기술 용어는 비극성 입니다. 그러면 백열등, 스위치 및 전선은 비극성 구성 요소 라고 할 수 있습니다 . 반대로 다른 방향의 전류에서 다르게 작동하는 모든 장치는 편광 장치 라고 합니다 .
전기 회로에 사용되는 이러한 극성 장치는 많이 있습니다. 대부분은 소위 반도체 물질로 만들어졌으며, 따라서 이 책 시리즈의 세 번째 권에서 자세히 살펴보겠습니다. 스위치, 램프, 배터리와 마찬가지로 이러한 각 장치는 고유한 기호로 개략도에 표시됩니다. 짐작할 수 있듯이 극성 장치 기호에는 일반적으로 어딘가에 화살표가 포함되어 선호되거나 배타적인 전류 방향을 지정합니다. 여기서 기존 및 전자 흐름의 경쟁 표기법이 실제로 중요합니다. 오래전부터 엔지니어는 기존 흐름을 "문화"의 표준 표기법으로 정했고 엔지니어는 전기 장치와 이를 나타내는 기호를 발명한 사람과 동일하기 때문에 이러한 장치 기호에 사용된 화살표는 모두 전자 흐름이 아닌 기존 흐름 방향을 가리킵니다 . 즉, 이러한 모든 장치 기호에는 전자가 실제로 흐르는 방향 과 반대 되는 화살표 표시가 있습니다 .
아마도 분극 장치의 가장 좋은 예는 다이오드 일 것입니다. 다이오드는 배관 및 유압 시스템에 익숙한 사람들에게 체크 밸브 와 유사한 전류에 대한 일방향 "밸브"입니다 . 이상적으로 다이오드는 한 방향으로 전류에 대한 방해받지 않는 흐름을 제공하지만(저항이 거의 없거나 전혀 없음) 다른 방향으로의 흐름은 차단합니다(무한한 저항). 회로 기호는 다음과 같습니다.
배터리/램프 회로 내에 배치하면 다음과 같이 작동합니다.
다이오드가 전류를 허용할 수 있는 적절한 방향을 향하고 있을 때 램프가 빛납니다. 그렇지 않으면 다이오드가 회로의 단선처럼 전류 흐름을 차단하고 램프가 빛나지 않습니다.
회로 전류를 기존 흐름 표기법을 사용하여 표시하면 다이오드의 화살표 기호가 완벽하게 이해됩니다. 삼각형 화살촉은 양전하에서 음전하로 전하가 흐르는 방향을 가리킵니다.
반면에 전자 흐름 표기법을 사용하여 회로 주위의 전자 이동 방향을 실제로 표시하면 다이오드의 화살표 기호가 반대로 보입니다.
이러한 이유만으로도 많은 사람들이 회로에서 전하 운동 방향을 그릴 때 기존 흐름을 선호하는 표기법으로 선택합니다. 다른 이유가 없더라도 다이오드와 같은 반도체 구성 요소와 관련된 기호는 이런 방식으로 더 의미가 있습니다. 그러나 다른 사람들은 전자 이동의 실제 방향을 표시하여 전자 운동의 실제 방향이 문제가 될 때마다 "전자가 실제로는 다른 방향으로 이동하고 있다는 것을 기억하세요"라고 스스로에게 말할 필요가 없도록 합니다.
기존의 전류 흐름을 사용해야 할까요, 아니면 전자 흐름을 사용해야 할까요?
두 모델 모두 일관되게 사용하면 정확한 결과를 낼 수 있으며, 전기 회로를 이해하고 분석하는 데 도움이 되는 도구라는 점에서 둘 다 똑같이 "올바른" 것입니다. 그러나 전기 공학의 맥락에서 기존 전류가 훨씬 더 일반적입니다. 이 교과서는 기존 전류를 사용하며, 학계나 전문 분야에서 전자공학을 공부하려는 사람은 누구나 자연스럽게 전류를 높은 전압에서 낮은 전압으로 흐르는 것으로 생각하는 법을 배워야 합니다."