1.7: Flujo convencional versus flujo de electrones

Carga de electrones positiva y negativa

Cuando Benjamin Franklin hizo su conjetura respecto a la dirección del flujo de carga (de la cera lisa a la lana áspera), sentó un precedente para la notación eléctrica que existe hasta nuestros días, a pesar de que sabemos que los electrones son las unidades constitutivas de carga, y que son desplazados de la lana a la cera, no de la cera a la lana, cuando esas dos sustancias se frotan juntas. Es por ello que se dice que los electrones tienen una carga negativa: porque Franklin asumió que la carga eléctrica se movía en la dirección opuesta a la que realmente lo hace, y así los objetos que llamó “negativos” (que representan una deficiencia de carga) en realidad tienen un excedente de electrones.

Para cuando se descubrió la verdadera dirección del flujo de electrones, la nomenclatura de “positivo” y “negativo” ya estaba tan bien establecida en la comunidad científica que no se hizo ningún esfuerzo para cambiarlo, aunque llamar a los electrones “positivos” tendría más sentido al referirse a la carga “excesiva”. Verá, los términos “positivo” y “negativo” son invenciones humanas, y como tales no tienen un significado absoluto más allá de nuestras propias convenciones de lenguaje y descripción científica. Franklin podría haberse referido fácilmente a un excedente de carga como “negro” y una deficiencia como “blanco”, en cuyo caso los científicos hablarían de electrones que tienen una carga “blanca” (asumiendo la misma conjetura incorrecta de posición de carga entre la cera y la lana).

Notación de flujo convencional

Sin embargo, debido a que tendemos a asociar la palabra “positivo” con “excedente” y “negativo” con “deficiencia”, la etiqueta estándar para la carga electrónica parece atrasada. Debido a esto, muchos ingenieros decidieron retener el viejo concepto de electricidad con “positivo” refiriéndose a un excedente de carga, y etiquetar el flujo de carga (corriente) en consecuencia. Esto se conoció como notación de flujo convencional:

Notación de flujo de electrones

Otros optaron por designar el flujo de carga de acuerdo con el movimiento real de los electrones en un circuito. Esta forma de simbología se conoció como notación de flujo de electrones:

En notación de flujo convencional, mostramos el movimiento de carga de acuerdo con las etiquetas (técnicamente incorrectas) de + y -. De esta manera las etiquetas tienen sentido, pero la dirección del flujo de carga es incorrecta. En la notación de flujo de electrones, seguimos el movimiento real de los electrones en el circuito, pero las etiquetas + y - parecen al revés. ¿Importa, realmente, cómo designamos el flujo de carga en un circuito? Realmente no, siempre y cuando seamos consistentes en el uso de nuestros símbolos. Puede seguir una dirección imaginada de la corriente (flujo convencional) o la real (flujo de electrones) con igual éxito en lo que respecta al análisis de circuitos. Los conceptos de voltaje, corriente, resistencia, continuidad e incluso tratamientos matemáticos como la Ley de Ohm (capítulo 2) y las Leyes de Kirchhoff (capítulo 6) siguen siendo igual de válidos con cualquiera de los estilos de notación.

Notación de flujo convencional vs notación de flujo de electrones

Encontrará notación de flujo convencional seguida por la mayoría de los ingenieros eléctricos e ilustrada en la mayoría de los libros de texto de ingeniería. El flujo de electrones se ve con mayor frecuencia en los libros de texto introductorios (este incluido) y en los escritos de científicos profesionales, especialmente los físicos de estado sólido que se preocupan por el movimiento real de los electrones en las sustancias. Estas preferencias son culturales, en el sentido de que ciertos grupos de personas han encontrado ventajoso imaginar el movimiento de la corriente eléctrica de ciertas maneras. Siendo que la mayoría de los análisis de los circuitos eléctricos no dependen de una representación técnicamente precisa del flujo de carga, la elección entre la notación de flujo convencional y la notación de flujo de electrones es arbitraria. casi.

Polarización y no polarización

Muchos dispositivos eléctricos toleran corrientes reales de cualquier dirección sin diferencia en el funcionamiento. Las lámparas incandescentes (el tipo que utiliza un filamento metálico delgado que brilla al blanco vivo con suficiente corriente), por ejemplo, producen luz con igual eficiencia independientemente de la dirección de la corriente. Incluso funcionan bien con corriente alterna (CA), donde la dirección cambia rápidamente con el tiempo. Los conductores y los interruptores funcionan independientemente de la dirección de la corriente, también. El término técnico para esta irrelevancia del flujo de carga es la no polarización. Podríamos decir entonces, que las lámparas incandescentes, interruptores y cables son componentes no polarizados. Por el contrario, cualquier dispositivo que funcione de manera diferente en corrientes de diferente dirección se llamaría dispositivo polarizado.

Hay muchos de estos dispositivos polarizados utilizados en circuitos eléctricos. La mayoría de ellos están hechos de las llamadas sustancias semiconductoras, y como tales no se examinan en detalle hasta el tercer volumen de esta serie de libros. Al igual que los interruptores, las lámparas y las baterías, cada uno de estos dispositivos está representado en un diagrama esquemático con un símbolo único. Como se podría adivinar, los símbolos polarizados del dispositivo típicamente contienen una flecha dentro de ellos, en algún lugar, para designar una dirección preferida o exclusiva de la corriente. Aquí es donde realmente importan las notaciones competidoras del flujo convencional y de electrones. Debido a que los ingenieros de hace mucho tiempo se han asentado en el flujo convencional como notación estándar de su “cultura”, y debido a que los ingenieros son las mismas personas que inventan los dispositivos eléctricos y los símbolos que los representan, las flechas utilizadas en los símbolos de estos dispositivos apuntan en la dirección del flujo convencional, no flujo de electrones. Es decir, todos los símbolos de estos dispositivos tienen marcas de flecha que apuntan contra el flujo real de electrones a través de ellos.

Quizás el mejor ejemplo de un dispositivo polarizado es el diodo. Un diodo es una “válvula” unidireccional para corriente eléctrica, análoga a una válvula de retención para aquellos familiarizados con plomería y sistemas hidráulicos. Idealmente, un diodo proporciona flujo sin obstáculos para la corriente en una dirección (poca o ninguna resistencia), pero evita el flujo en la otra dirección (resistencia infinita). Su símbolo esquemático se ve así:

Colocado dentro de un circuito de batería/lámpara, su funcionamiento es como tal:

Cuando el diodo está orientado en la dirección adecuada para permitir la corriente, la lámpara se enciende. De lo contrario, el diodo bloquea todo el flujo de electrones al igual que una interrupción en el circuito, y la lámpara no brillará.

Si etiquetamos la corriente del circuito usando notación de flujo convencional, el símbolo de flecha del diodo tiene perfecto sentido: la punta de flecha triangular apunta en la dirección del flujo de carga, de positivo a negativo:

Por otro lado, si usamos notación de flujo de electrones para mostrar la verdadera dirección del viaje de electrones alrededor del circuito, la simbología de flecha del diodo parece hacia atrás:

Solo por esta razón, muchas personas optan por hacer del flujo convencional su notación de elección al dibujar la dirección del movimiento de carga en un circuito. Si por ninguna otra razón, los símbolos asociados con componentes semiconductores como diodos tienen más sentido de esta manera. Sin embargo, otros optan por mostrar la verdadera dirección del viaje de los electrones para evitar tener que decirse a sí mismos, “solo recuerda que los electrones en realidad se están moviendo hacia el otro lado” cada vez que la verdadera dirección del movimiento de electrones se vuelve un problema.

¿Cuál Deberías Usar?

En esta serie de libros de texto, me he comprometido a utilizar la notación de flujo de electrones. Irónicamente, esta no fue mi primera opción. Me resultó mucho más fácil cuando estaba aprendiendo electrónica por primera vez usar la notación de flujo convencional, principalmente debido a las direcciones de las flechas de símbolos de dispositivos semiconductores. Posteriormente, cuando comencé mi primera formación formal en electrónica, mi instructor insistió en utilizar la notación de flujo electrónico en sus conferencias. De hecho, pidió que tomáramos nuestros libros de texto (los cuales fueron ilustrados usando notación de flujo convencional) y usemos nuestras plumas para cambiar las direcciones de todas las flechas actuales para señalar la manera “correcta”! Sin embargo, su preferencia no era arbitraria. En sus 20 años de carrera como técnico en electrónica de la Marina de los Estados Unidos, trabajó en muchos equipos de tubos de vacío. Antes de la llegada de componentes semiconductores como transistores, se utilizaron dispositivos conocidos como tubos de vacío o tubos de electrones para amplificar pequeñas señales eléctricas. Estos dispositivos trabajan sobre el fenómeno de los electrones que se precipitan a través de un vacío, su velocidad de flujo controlada por voltajes aplicados entre placas metálicas y rejillas colocadas dentro de su trayectoria, y se entienden mejor cuando se visualizan usando notación de flujo de electrones.

Cuando me gradué de ese programa de entrenamiento, volví a mi viejo hábito de la notación de flujo convencional, principalmente para minimizar la confusión con los símbolos de componentes, ya que los tubos de vacío son casi obsoletos excepto en aplicaciones especiales. Recopilando notas para la redacción de este libro, tenía plena intención de ilustrarlo usando flujo convencional.

Años después, cuando me convertí en profesor de electrónica, el plan de estudios del programa que iba a impartir ya se había establecido en torno a la notación del flujo de electrones. Por extraño que parezca, esto se debió en parte al legado de mi primer instructor de electrónica (el veterano de la Marina de 20 años), ¡pero esa es otra historia completamente! Al no querer confundir a los alumnos enseñando “de manera diferente” a los otros instructores, tuve que superar mi hábito y acostumbrarme a visualizar el flujo de electrones en lugar de lo convencional. Debido a que quería que mi libro fuera un recurso útil para mis alumnos, a regañadientes cambié de planes y lo ilustré con todas las flechas apuntando de la manera “correcta”. Oh bueno, ¡a veces simplemente no puedes ganar!

En una nota positiva (sin juego de palabras), he descubierto posteriormente que algunos estudiantes prefieren la notación de flujo de electrones cuando aprenden por primera vez sobre el comportamiento de las sustancias semiconductoras. Además, el hábito de visualizar electrones que fluyen contra las flechas de los símbolos polarizados del dispositivo no es tan difícil de aprender, y al final he encontrado que puedo seguir el funcionamiento de un circuito igualmente bien usando cualquiera de los dos modos de notación. Aún así, a veces me pregunto si todo sería mucho más fácil si volviéramos a la fuente de la confusión —la conjetura errante de Ben Franklin— y arregláramos el problema ahí, llamando a los electrones “positivos” y a los protones “negativos”.