¿Por qué la convención de nomenclatura de carga es incorrecta?

Hace poco me enteré del problema de la corriente convencional frente al flujo de electrones.
Buscando un poco encontré que la razón de esto es que Benjamin Franklin cometió un error al nombrar las cargas positivas y negativas.
Incluso hay este pequeño cómic sobre eso http://xkcd.com/567/

Mi pregunta es, ¿cómo puede ser incorrecta una convención de nomenclatura?
Quizás no entiendo cuál es el error real aquí, no lo sé. Pero no veo cómo una convención de nomenclatura podría ser incorrecta o correcta. No hay bien y mal en eso. Podría haber sido cualquier otro nombre, como carga A y carga B.

Agradeceré que alguien pueda ayudarme a entender qué es lo que está mal en todo esto.

Hasta donde yo sé, la cosa es que Franklin pensó que las cargas se movían en una dirección, cuando en realidad estaba equivocado, era en la otra dirección; los electrones (cargas negativas) en los cables fluían en la dirección opuesta que él había supuesto. Pero resulta que, dado que hemos etiquetado las cargas matemáticamente como positivas y negativas, el efecto de su error es en realidad equivalente y válido al tener protones (cargas positivas) fluyendo en la dirección asumida. (Sí, sé que estoy comentando una publicación de hace una década).

Respuestas (11)

No es un error, y la corriente convencional no está mal ni al revés.

A menudo se piensa que la corriente eléctrica es un flujo de electrones, pero esto es incorrecto. La corriente eléctrica es un flujo de carga eléctrica . La carga puede ser positiva (protones) o negativa (electrones), y ambos tipos de partículas cargadas pueden fluir y fluyen en los circuitos eléctricos:

(El efecto Hall se puede usar para mostrar si un portador de carga tiene carga positiva y fluye en una dirección, o carga negativa y fluye en la otra).

Cuando una batería de iones de litio se descarga en una carga, por ejemplo, no hay flujo de electrones en la batería, pero todavía hay un flujo de corriente:

Batería de iones de litio descargándose en la resistencia

(Fuente: Centro de Nanotecnología Sostenible )

Si considerara solo el flujo de electrones, sus cálculos serían incorrectos. Debe considerar el flujo neto de carga, independientemente de los portadores de carga. La corriente convencional extrae los diferentes portadores de carga y representa todos estos diferentes flujos como un flujo neto de carga (positiva), lo que simplifica el análisis del circuito.

La corriente convencional no es lo contrario de la corriente de electrones , por lo que si se definieran para fluir en la misma dirección, sería aún más fácil confundirlos y pasar la vida sin entender qué es la corriente. La corriente de electrones es un subconjunto de la corriente convencional. La corriente convencional combina los efectos de los flujos de electrones, iones, protones y huecos en un solo número.

Wikipedia está de acuerdo :

En otros medios, cualquier corriente de objetos cargados puede constituir una corriente eléctrica. Para proporcionar una definición de corriente que sea independiente del tipo de portadores de carga que fluyen, se define que la corriente convencional fluye en la misma dirección que las cargas positivas.

El etiquetado de una polaridad de carga como "positiva" y la otra como "negativa" es totalmente arbitrario. Se podría hacer de cualquier manera y todo seguiría funcionando igual. Franklin no eligió mal; él simplemente eligió. Etiquetar los protones como negativos y los electrones como positivos no cambiaría nada. En realidad, podría hacer las cosas más confusas, como se describe en Ben Franklin, ¿debería haber dicho que los electrones son positivos? Equivocado.

Si, en cambio, Franklin hubiera elegido que los electrones fueran positivos, es posible que nunca nos enfrentemos al verdadero problema. Si los electrones no fueran negativos, ignoraríamos fácilmente nuestros conceptos erróneos y terminaríamos con solo una ilusión de comprensión. Sin embargo, todavía tendríamos todo tipo de preguntas molestas sin respuesta causadas por los conceptos erróneos. Afortunadamente, los electrones negativos nos frotan las narices con el problema, haciendo que nuestras preguntas se conviertan en algo mucho más que "instantes".

Es cierto que estoy de acuerdo con endolith. La convención se basa en lo que elijas como base. Análogo a esto es el concepto de sistemas de coordenadas globales y locales. En coordenadas globales, la posición de un punto se determina con respecto al cero absoluto, es decir, (0,0,0). Esto es similar a la dirección real de la corriente. En un sistema de coordenadas local, cambia el punto cero según su conveniencia y luego determina la ubicación en función de este nuevo cero. Esto es lo mismo que la dirección convencional de la corriente.
Estudiante de secundaria aquí. Las etiquetas de "positivo" y "negativo" son arbitrarias, pero ¿no es "incorrecto" si esas convenciones arbitrarias son inconsistentes? La corriente se define para fluir en la dirección de positivo a negativo, pero en un circuito típico con cables metálicos, el "flujo" real es el de los electrones, de negativo a positivo. Para mí, parece una convención tan inconsistente ("incorrecta") como lo sería si, por alguna razón, hace un par de siglos, algún matemático decidiera que en ciertos contextos se usaría un sistema de coordenadas para zurdos.
@ user3932000 ¿Leíste el resto de la respuesta?
@efram-goldberg "pero la corriente eléctrica proviene de los electrones que llevan consigo... Los iones de litio son portadores de los electrones a medida que se mueven entre el electrolito sólido". ¿Cómo es eso? Los electrones de los que hablas nunca abandonan el átomo.
En los semiconductores, pueden ser agujeros o electrones los que fluyen.
Si bien es posible que no podamos decir que está "incorrecto", podemos decir que es increíblemente contrario a la intuición e inconveniente en la mayoría de los casos. No soy partidario de decir "te hemos prestado un servicio al sugerir que la corriente fluye en la dirección opuesta al portador de carga en la gran mayoría de todos los circuitos con los que te enfrentas hasta que aprendes sobre semiconductores o algún otro entorno exótico de radiación". (la gran mayoría se define como "en cualquier lugar que no esté dentro de una batería")
@CortAmmon ¿Cómo es inconveniente o contrario a la intuición?
@endolith La dirección del flujo de corriente es contraria al flujo de las partículas responsables de la corriente en la gran mayoría de los circuitos, y en particular, en el 100% de los circuitos que se enseñan a los nuevos estudiantes de EE y física. Es como si te enseñaran que debes cambiar a "R" para avanzar y a "D" para retroceder, solo para descubrir un día que "R" significa "retroceso".
@CortAmmon ¿Por qué necesitarías pensar en las partículas responsables de la corriente? No sé de física, pero los nuevos estudiantes de EE aprenden la corriente convencional, ignorando de qué portadores de carga está hecha, y esa fue la primera vez en mi vida que los circuitos tenían sentido. Había estado tratando de pensar en términos de electrones hasta ese momento, porque "la corriente convencional está al revés", y todo lo que hizo fue obstaculizar mi comprensión. electronics.stackexchange.com/a/2251/142
@endolith Interesante. Como un EE yo mismo, aprendí a pensar en la corriente en una dirección "hacia adelante" hasta el primer momento en que necesitaba pensar en los portadores (en física de semiconductores), y en ese momento tuve que reorganizar todo mi proceso de pensamiento cuando comencé para lidiar con efectos que realmente se preocupaban por qué portadores eran cuáles. Parecía que me decían que la gravedad es en realidad un vector ascendente con una magnitud de -9,8 m/s^2
@tparker Bueno, OP escuchó que la convención estaba mal y preguntó cómo podría estar mal, y dije que no; eso es un mito Supongo que podría hacer una pregunta separada sobre las convenciones que están mal en general.
Lo siento, me perdí la primera oración del OP y no me di cuenta de que la pregunta era específicamente sobre el flujo actual; He borrado mi comentario. En mi opinión , Benjamin Franklin cometió un error al elegir la convención, pero no principalmente por el flujo de corriente.
+1. ¡Por cierto! Lo que dices es aún más claro cuando se considera la definición misma de corriente eléctrica: j = q norte v (después de todo, para los electrones, q < 0 ).
Estoy de acuerdo con Cort y @tparker. Creo que Ben Franklin cometió un grave error al nombrar por convención a los electrones como cargados negativamente. (por todas las razones expuestas en este hilo).

(Alguien resucitó a este viejo en la cola, así que solo para ser una voz contraria...)

Ben Franklin se equivocó. Acababa de desarrollar una nueva y notable teoría de la electricidad en la que positivo (+) y negativo (-) tenían significados específicos y precisos, y no pudo aplicar las dos etiquetas de la manera que pretendía.

En la época de Franklin se pensaba que la electricidad estaba compuesta por dos fluidos, "vítreo" y "resinoso" , que se aniquilaban entre sí cuando entraban en contacto. La ingeniosa idea de Franklin fue darse cuenta de que la teoría de los dos fluidos era redundante y que bastaría con un solo fluido que fluye a través de los metales. Esto lo llevó directamente a una analogía con la presión del agua o la presión del aire, en la que un solo fluido fluye desde el extremo de una tubería que tiene una presión positiva (+) y hacia el final con una presión negativa (-) o similar al vacío.

El problema era que Franklin no tenía forma de separar el fluido del metal para saber en qué dirección se movía. Podía hacer chispas, seguro, pero el fluido (electricidad) se movía tan increíblemente rápido que no se podía discernir nada exacto al mirarlos.

Fue solo con la invención décadas más tarde del tubo de Crookes que fue posible saber la dirección del flujo de este misterioso fluido eléctrico, específicamente observando las sombras que proyectaba en el interior de un tubo vacío. Solo entonces se dio cuenta de que el fluido que postulaba Franklin se movía del lado de presión "negativa" (-) al lado de presión "positiva", (+). Pero ya era demasiado tarde. Ya se habían escrito décadas de artículos y libros de texto utilizando la teoría y las convenciones de Franklin, y habría sido una pesadilla intentar cambiar la convención en ese punto.

Ahora llamamos a estas partículas de fluido eléctrico "electrones", y de hecho se comportan como el fluido más rápido y ágil imaginable. Para la forma más común de transportar este fluido, a través de metales, es la terminal negativa de una batería la que crea una presión positiva (o voltaje) para empujar el fluido hacia afuera, y es la terminal positiva la que crea una presión negativa para jalar el fluido. los electrones vuelven a entrar.

(Esta similitud también explica por qué el uso de analogías con la presión del agua para explicar los voltajes y el flujo eléctrico puede ser mucho más revelador de lo que cabría esperar. Ambos son realmente ejemplos de fluidos bajo presión, incluso si la terminología es diferente y la analogía es incompleta debido a electrones que tienen la capacidad de hacer cosas que los fluidos materiales no pueden).

Entonces, en resumen: Franklin claramente habría etiquetado su propia elección como un error si hubiera tenido acceso a mejores datos, así que creo que nosotros también podemos.

Ha pasado mucho tiempo, pero si todavía tiene referencias para este, sería genial tener un lugar donde leer más sobre esto.
Leí el libro mucho, mucho tiempo atrás en la escuela secundaria. Era una biografía de Franklin. Sin embargo, buscaré en línea.
Incorrecto, ya que supone que los electrones son responsables de las corrientes eléctricas. Cierto, pero solo para metales y tubos de vacío. La teoría del fluido único de Franklin estaba fundamentalmente equivocada. La teoría de los dos fluidos era más correcta, ya que explica los protones, la conducción iónica pos/neg del agua salada, la suciedad, la carne humana, etc. En estos conductores no hay electrones móviles. En ácido, las cargas móviles son protones. No distorsione la física usando el tubo de Crookes: el tubo de "Canal Ray" de Crookes mostró DOS haces: rayos catódicos negativos, también "rayos de canal" en dirección opuesta: iones de gas con carga positiva (protones, si el tubo está lleno de H2).
Frankin estaba hablando de cables y adivinó mal qué tipo de carga se movía y qué tipo permanecía en su lugar.
@wbeaty Si les dice a los estudiantes que la teoría de dos fluidos es más correcta que la teoría de un fluido, entonces me temo que está esparciendo mucha más confusión de la que está aclarando.
@tparker, ¿crees que la corriente es un flujo de electrones? No es. Por ejemplo, en los ácidos, el flujo es de protones. Para enseñar baterías, galvanoplastia, etc., usamos la "teoría de 2 fluidos". En otras palabras, la física se aplica en general, por lo que la teoría de Franklin va en contra de la física, ya que solo se aplica a la conducción metálica, no a los plasmas, baterías, etc. Y con corrientes eléctricas en la tierra, y cuando los humanos reciben descargas, no fluyen electrones. De hecho, los cerebros/nervios se basan completamente en corrientes que no son de electrones. El experimento de la cometa de Franklin involucró el flujo de protones en una cuerda ácida de la cometa.
Oh hombre, debería quedarme fuera de esto, pero... Las corrientes son solo movimientos de carga, por lo que, por supuesto , hay más de una forma de crear una corriente. Por ejemplo, @wbeaty, me sorprende que no haya mencionado también los agujeros y los electrones en los semiconductores (circuitos de computadora). Pero a la inversa, ni una sola vez ha mencionado el flujo de corriente en los metales... ¡que son solo electrones moviéndose! Dado que la conducción metálica representa, no sé, tal vez alrededor del 99,9999% de todo el flujo de carga por metro en las sociedades técnicas modernas, no se centra solo en los flujos de dos cargas más específicos de nicho y de menor alcance un poco antideportivo ?
@TerryBollinger no, Franklin estaba hablando de Electrics vs Non-Electrics, sus términos para no conductor/conductor. Los conductores eran cuerpos humanos, agua, metales, madera, papel, cordeles, y de estos solo los metales utilizan flujos de electrones, mientras que el resto eran electrolíticos. Tenga en cuenta que el cordel de la cometa de Franklin no era un conductor de electrones: probablemente ácido y, por lo tanto, un conductor de protones.
Dejando a un lado los problemas de historia, me alegra ver la frase "los metales usan flujos de electrones" allí. Paz.
@wbeaty No, no creo que solo los electrones puedan producir corriente eléctrica. Eso sería tonto.
> un poco antideportivo? @TerryBollinger No, porque 2 cargas es cómo funciona todo en todas partes. La física debe explicarlo todo, no solo la pequeña parte que cubre la electrónica. Je, los cables en sí mismos se basan en la física de 2 cargas: si no lo fueran, explotarían como bombas H (o, los metales simplemente no podrían existir). Las corrientes en los metales son flujos diferenciales , un punto obvio si los metales son líquidos. Ver solo electrones mientras se ignoran activamente los protones y los iones, esa es la visión técnica generalizada, extremadamente simplificada y muy diferente del punto de vista del físico (o del ingeniero).
Según ese argumento, el agua que sale de un grifo es un flujo diferencial entre el agua y las tuberías. Entonces, ¿eso significa que las tuberías "fluirían" en la dirección opuesta al agua si se derritieran repentinamente? No claro que no. También es fácil hacer el experimento que sugiere al pasar una corriente alta a través de una tira de soldadura. Cuando la soldadura se derrite, permanece donde estaba como un sólido. Por cierto, dado que en su último comentario eligió violar la etiqueta de SE yendo levemente ad hominem (¿moderadores?), Esta es la última vez que leeré o responderé a algo que publique en cualquier foro de SE. Buena suerte.
@TerryBollinger En lugar de tuberías, es como tener antimateria en todas partes (los cables que contienen cargas iguales y opuestas, que en promedio se cancelan). Es como tener tuberías que contienen mitad agua, mitad antiagua. Luego, para crear una corriente de agua, movemos uno de ellos sin mover el otro. Y lo más importante: si movemos la tubería, no estamos moviendo agua, ¡porque al mover la tubería también se moverá el anti-agua al mismo tiempo! (Mover un cable no crea ninguna corriente. Si los cables estuvieran llenos de electrones, incluso los movimientos más leves de los cables producirían un amperaje gigantesco).
> Me temo que estás esparciendo mucha más confusión. @tparker No, estoy enseñando que el agua salada no conduce electrones, que los nervios, las corrientes de tierra y el ácido de la batería se basan en la "teoría de dos fluidos", donde las cargas positivas y negativas fluyen entre sí dentro del mismo conductor. Deshágase del "pensamiento de Franklin" incorrecto con sus portadores de carga de polaridad única, entonces podemos entender fácilmente cerebros/nervios/baterías. La electrónica tiene otras cosas además del metal y el silicio. (No convenza a los estudiantes de que las pilas de combustible con conductores de protones son una herejía blasfema, ¡imposible de entender!)
Una adición importante. La velocidad de movimiento promedio (deriva) de los electrones en un cable es de solo 0,1 mm/s o 360 metros/hora. Pero la velocidad de propagación del campo eléctrico es la velocidad de la luz. Lo que significa que una señal viaja a la velocidad de la luz, pero el flujo de electrones es realmente lento. Como empujar ligeramente una barra de metal de 10 km de largo. La información viaja a la velocidad de la luz desde un extremo de la varilla hasta el otro extremo. A pesar de que la varilla solo se movía unos milímetros. en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity
@juwens: Técnicamente, cuando empujas una barra de metal, se deforma; por lo que la señal se propagará a la velocidad del sonido en ese material (no a la velocidad de la luz).

El centro de esta discusión es un concepto erróneo común y generalizado: la idea errónea de que la corriente eléctrica es un flujo de electrones y que los flujos de carga positiva son imposibles.

No y no.

Sólo en los metales la corriente eléctrica es un flujo de electrones. Los protones pueden fluir, al igual que los iones de ambas polaridades. El tipo de portador de carga depende del tipo de conductor: metales, electrolitos, gases ionizados. Entonces, Franklin puede haber estado "al revés" sobre la forma en que los metales conducen un flujo de carga. Pero no estaba equivocado acerca de los conductores de protones y los PEM utilizados en las celdas de combustible de electrolito sólido. Franklin también se equivocó sobre el ácido de las baterías y los letreros de neón, donde las cargas en movimiento tienen polaridades opuestas y fluyen en direcciones opuestas. En términos de Franklin, los electrolitos contienen dos (o más) tipos de 'fluido eléctrico', no solo uno.

De hecho, cuando recibe una descarga eléctrica de una fuente de alimentación HV, no fluyen electrones a través de su cuerpo. El voltaje impreso a través de su carne produce un flujo de iones que se encuentran comúnmente en sus tejidos: iones positivos de sodio y potasio, y cloruros negativos, cada polaridad de iones fluye en direcciones opuestas. Entonces, ¿cómo podemos describir los amperios que te están electrocutando? Fácil. Solo use corriente convencional. Para eso es. (Sugerencia: los amperímetros miden la corriente convencional. No informan los porcentajes de positivos y negativos que se desplazan en dirección opuesta dentro del circuito).

Es realmente sorprendente cuántos autores parecen creer en la desacreditada teoría de la electricidad de un solo fluido de Franklin, o creen que las corrientes eléctricas están de alguna manera "hechas de electrones".

Ejemplos de directores:

Metales - sí, electrones

Semiconductores: electrones en dos bandas de energía (la banda inferior son vacantes o 'agujeros')

Plasma: electrones, iones positivos, iones negativos (si es plasma de hidrógeno, entonces los protones desnudos H+ son parte de la corriente).

Agua destilada: protones (iones H+) e iones OH-, sin electrones

Ácido de batería: protones (iones H+) e iones SO4-, sin electrones

Océanos: iones Na+, iones Cl-, algo de H+ y OH-, sin electrones

Carne humana: iones Na+, iones K+, iones Cl-, muchos iones misceláneos, sin electrones

Sospecho que los manuales de entrenamiento militar de la Segunda Guerra Mundial son en parte culpables de esta situación. Para la instrucción de los técnicos, sus autores se concentraron en cables de metal y tubos de vacío, y basaron sus conceptos en la idea demasiado simplificada (errónea) de que "la electricidad es igual a electrones", y que todas las cargas positivas eran en realidad solo un caso de electrones faltantes.

Tal vez sea pedante, pero me parece engañoso decir "sin electrones" cuando los iones negativos contienen un exceso de electrones que son responsables de la diferencia de carga. Incluso la mayoría de los iones positivos (a excepción de los protones, positrones, etc.) contienen algunos electrones. Calificar con "sin electrones libres" o "sin electrones de banda de conducción" sería más preciso.
@bariumbitmap los electrones desnudos no pueden sobrevivir en solución. Claro, podemos decir que un ion negativo "es" un electrón. Pero en realidad no lo es, ya que un ion es un átomo completo, un portador de carga de gran masa, siendo el resto de la masa eléctricamente neutro. (El resto de protones y electrones no cuentan, ya que juntos forman un átomo eléctricamente neutro). También diríamos que los iones pos son "protones". Lo son, por supuesto, pero también están arrastrando átomos enteros mientras fluyen. Es mejor mantener las cosas claras y usar etiquetas adecuadas para los iones negativos, en lugar de los electrones desnudos.
@wbeaty No defiendo etiquetar los iones negativos como "electrones" o los iones positivos como "protones", estoy sugiriendo que "ningún electrón desnudo fluye a través de su cuerpo" sería más preciso que "ningún electrón fluye a través de su cuerpo".

Esta es una pregunta común y la respuesta está relacionada con el hecho de que la corriente eléctrica se define simplemente como el flujo de carga eléctrica . Por lo tanto, es una corriente abstracta ya que la carga eléctrica es una propiedad , no una entidad . La carga eléctrica debe ser "llevada" ser algo.

La dirección del flujo de carga positiva se toma como la dirección de la corriente eléctrica. Así, un flujo de carga negativa contribuye a una corriente eléctrica en dirección opuesta.

La corriente de electrones es el flujo de electrones y, dado que los electrones tienen la propiedad de carga eléctrica negativa, una corriente de electrones es necesariamente un flujo de carga, es decir, una corriente eléctrica (en la dirección opuesta a la corriente eléctrica ).

Pero, a menudo ocurre que la corriente eléctrica se debe al flujo de otras entidades cargadas además de los electrones. Por ejemplo, dentro del electrolito de una batería o dentro de un plasma, el flujo de iones cargados contribuye a la corriente eléctrica.

Las convenciones de signos no son "incorrectas", pero pueden ser engañosas.

Por ejemplo, podríamos redefinir el trabajo realizado en un campo gravitacional para que escapar del pozo de gravedad terrestre requiera trabajo negativo. Esa es una convención igualmente válida , pero asociamos el trabajo positivo con el esfuerzo, por lo que invertir la convención obstaculizaría nuestra intuición física sin ningún beneficio perceptible.

¿Hay casos en los que la intuición puede ser engañosa? Por supuesto; en mecánica orbital, el trabajo negativo puede hacer que vayas más rápido . Pero eso no significa que debamos revertir la convención solo porque algunas personas tienen la idea errónea de que " el trabajo positivo te hace ir más rápido ".

Para los cambios en el estado de oxidación, la convención de signos existente sobre la carga es "incorrecta" en el sentido de que induce a error. Cuando un átomo gana electrones, se dice que está "reducido" porque su estado de oxidación ha bajado .

Esta es una terminología engañosa arraigada en una convención engañosa. Es cierto que la terminología no es engañosa para la "reducción" que implica la pérdida de un protón , pero para la mayoría de las interacciones atómicas va en contra de la intuición física. Por ejemplo, los iones generalmente aumentan su radio efectivo cuando se reducen .

Los estudiantes encuentran esto tan poco intuitivo que tratan de recordarlo con mnemónicos tontos como "Plataforma petrolífera" ("la oxidación es pérdida, la reducción es ganancia").

Lo mismo para la corriente: "CCD" es un mnemotécnico para " la corriente del cátodo sale ", aunque la mayoría de las veces los portadores de carga responsables de la corriente no salen físicamente del cátodo.

Sin embargo, esos mismos estudiantes no necesitan una regla mnemotécnica para recordar el signo del trabajo realizado contra el campo gravitatorio terrestre, ni el trabajo realizado sobre cargas del mismo signo.

Pero para las convenciones de estado de oxidación-reducción, se puede explicar fácilmente por lo que dijiste: cuando un átomo gana electrones, se reduce porque su estado de oxidación ha disminuido. No existe tal explicación para la corriente en el alambre metálico. Claro, podría decir que la corriente fluye en la misma dirección que fluiría una carga de prueba positiva, pero esta "explicación" no es intuitiva y es incorrecta en el sentido de que en los cables metálicos, nada positivo se mueve realmente; son sólo los electrones los que se mueven.
Para mí, todo el asunto de la dirección "actual" parece una convención arbitraria basada en una costumbre histórica, desafortunada pero demasiado arraigada para ser cambiada, y la gente de hoy trata de justificarla fervientemente de alguna manera.

¿Alguna vez has jugado el rompecabezas deslizante-15 ? Hay quince piezas deslizantes, numeradas del 1 al 15, dispuestas en una cuadrícula de 4x4. Tiene un "agujero" donde no hay pieza. Puedes mover cualquier pieza adyacente al agujero a ese espacio.

Rompecabezas de bloque deslizante 15.

Mientras juegas, ¿qué se mueve: las piezas numeradas o el agujero ?

Técnicamente hablando, estás moviendo las piezas numeradas. Son los electrones, los objetos físicos que se mueven. Incluso puedes hacer que se muevan en un camino completo (un circuito cerrado).

Pero si has jugado este juego durante suficiente tiempo, rápidamente te das cuenta de lo importante que es el hoyo para la estrategia del juego. Un jugador habilidoso puede mover el hoyo donde quiera, e incluso el hoyo puede moverse en un circuito cerrado. El hueco representa la ausencia de electrones, y puede moverse al igual que los propios electrones. En la teoría de los semiconductores, incluso los llamamos oficialmente "agujeros" y los tratamos como una partícula, aunque no lo sean.

De cualquier manera que cuentes, hay algo que se mueve. En electricidad, a esto lo llamamos "carga". Ben Franklin lo llamó "fuego eléctrico" (ver más abajo).

Tenga en cuenta que cualquier movimiento que haga, siempre hay 15 piezas numeradas y 1 hoyo. Decimos que esto es conservación de carga , y fue descubierto por Franklin (ver más abajo). Siempre que estemos contando o sumando cosas, tiene sentido hacer que un tipo de carga sea positiva y otro negativo. ¿Cómo asignaremos cuál es cuál?

El problema es que nunca ha habido, y nunca habrá, un dispositivo que pueda ver electrones o huecos. Son demasiado pequeños y demasiado rápidos. Como @endolith además señala, hay muchas cosas además de los electrones que pueden fluir para producir corriente eléctrica. No obstante, a los físicos les gusta elegir convenciones.


Franklin pidió libros a varios de sus colegas ingleses para establecer una biblioteca científica en Estados Unidos. A principios de 1747, el naturalista inglés Peter Collinson le envió a Franklin un tubo de vidrio junto con un envío de libros, con instrucciones sobre cómo se usaba en experimentos eléctricos. Aparentemente, los físicos pensaron que era muy divertido frotar el tubo y darse descargas unos a otros. ¡Que divertido!

El 25 de mayo de 1747, Franklin le escribió una carta a Collinson , primero agradeciéndole el regalo, describiendo algunos de los experimentos que había realizado con él y luego explicando sus conclusiones.

Franklin describió su construcción de un electroscopio simple, electrificándolo con el tubo y luego deselectrificándolo con una aguja cercana. Franklin concluyó que hay algún tipo de "elemento" que se está "quitando o tirando". También notó un brillo cuando estos experimentos se realizan en la oscuridad, "como el de un Fire-Fly o Glow-Worm". Por lo tanto, Franklin lo llamó "fuego eléctrico", que ahora llamamos carga. Él argumentó que este es un nuevo elemento químico (para unir la tierra, el agua, el aire y el fuego).

Luego describió varios otros experimentos, pero su interpretación del siguiente experimento es la más importante:

Supongamos, como se ha dicho, que el Fuego Eléctrico es un Elemento común, del cual cada una de las tres Personas antes mencionadas tiene su Parte igual antes de que se comience cualquier Operación con el Tubo. A quien se para sobre Cera y frota el Tubo, recoge el Fuego Eléctrico de sí mismo en el Vidrio; y siendo cortada su Comunicación con la Estirpe común por la Cera, su Cuerpo no vuelve a ser suplido inmediatamente. B, que también se para sobre Cera, pasando su Nudillo cerca del Tubo, recibe el Fuego que fue recogido por el Vaso de A; y siendo igualmente cortada su comunicación con las acciones ordinarias, retiene la cantidad adicional recibida. para C, de pie en el Suelo, ambos parecen estar electrizados; porque el que tiene solo la cantidad media de fuego eléctrico recibe una chispa al acercarse a B, que tiene una cantidad excesiva, pero le da una a A,

Si A y B se tocan, la Chispa entre ellos es más fuerte, porque la Diferencia entre ellos es mayor. Después de tal Toque, no hay Chispa entre ninguno de ellos y C; porque el Fuego Eléctrico en todo se reduce a la Igualdad original. Si se tocan estando Electrizándose, la Igualdad nunca se destruye, el Fuego sólo circula .

De ahí que hayan surgido algunos Términos nuevos entre nosotros. Decimos que B (y otros cuerpos en circunstancias similares) están electrizados positivamente ; A negativamente : O más bien B está electrizado más y A menos. Y nosotros, diariamente, en nuestros Experimentos, electrizamos Cuerpos más o menos según creemos apropiado. Podemos usar estos Términos hasta que sus Filósofos nos den mejores.

Benjamin Franklin, Carta a Peter Collinson, 25 de mayo de 1747 . Énfasis añadido.

Franklin había descubierto la conservación de la carga. En particular, afirmó que su "fuego eléctrico" solo circulaba , nunca se destruía y se mantenía en igualdad de cantidad. Como el fuego eléctrico procedía de la barra de vidrio, tenía sentido para él que los objetos que obtenían fuego eléctrico estuvieran cargados positivamente .

El vidrio es una de las sustancias más triboeléctricamente positivas; sólo el poliuretano (aún no inventado) y la piel y el cabello humanos lo son más. Si Collinson hubiera enviado a Franklin una barra de azufre, que es triboeléctricamente negativa, es probable que hoy estuviéramos hablando de electrones cargados positivamente. Me parece poético que se pueda hacer "fuego eléctrico" a partir de "azufre".

Franklin tenía algo de razón sobre "Estos términos los podemos usar hasta que sus filósofos nos den mejores". De hecho, fue un inglés (el físico JJ Thomson) quien descubrió que las partículas reales que se mueven en un circuito, a las que llamó "electrones", tienen carga negativa. Desafortunadamente, aunque apareció algo "mejor", la convención se mantuvo.


Volviendo a la pregunta original, ¿por qué la convención es "incorrecta"? El portador de carga más común (el electrón) fluye en una dirección, pero la dirección de la corriente de carga se expresa en la dirección opuesta. Las direcciones opuestas crean confusión entre los alumnos: no es intuitivo, es confuso, los alumnos a menudo aplican la dirección incorrecta (o ignoran la dirección) y los frustra. Cuando estás aprendiendo electricidad, por lo tanto es "incorrecto".

Hay momentos en los que es mejor usar electrones y otros en los que debe usar corriente. Así como el rompecabezas deslizante tiene momentos en los que desea mover una pieza numerada y otros momentos en los que desea mover un agujero. Un profesional experto sabe cuál aplicar y ni siquiera piensa en la diferencia.

La convención de carga de Benjamin Franklin no es "incorrecta" en el sentido de que conduce a respuestas físicamente incorrectas, pero es "mala" en el sentido de que requiere lidiar con signos menos innecesarios que no estarían allí si el electrón fuera positivo. cobrar.

En mi opinión, este problema es el más serio no en el contexto del flujo de corriente, sino en la física de partículas elementales. Todos los fermiones elementales desconfinados en el Modelo Estándar tienen la misma carga eléctrica, y sería mucho más natural asignar a las partículas de "materia" carga positiva y a las partículas de "antimateria" carga negativa, pero desafortunadamente bajo la convención actual es al revés. alrededor. Esto conduce a enormes dolores de cabeza por los signos, tan graves que a la mitad del libro QFT de Srednicki, en realidad redefine mi desde la carga del electrón hasta la carga del protón, lo que hace que sea realmente molesto comparar los resultados de antes y después de ese punto. (Por supuesto, podríamos invertir las convenciones según las cuales las partículas son "materia" y cuáles "antimateria", pero según esa convención, la gran mayoría del universo observable consistiría en antimateria, lo que sería una convención aún peor).

Esta es solo una convención que surgió (creo) en el siglo XIX antes de que se estableciera la existencia de los electrones. No tiene un significado especial.

En pags Semiconductores de tipo es posible modelar el flujo de corriente como el movimiento de agujeros positivos , y estos viajan del polo positivo al polo negativo. Sin embargo, todavía son realmente los electrones los que se mueven, y le costará interpretar el flujo de corriente en los metales usando este modelo.

Benjamin Franklin vivió en el siglo XVIII, no en el XIX.

La electricidad es una manifestación debida al movimiento electrónico, que están cargados negativamente.

Pero hace bastante tiempo cuando esto no se sabía, Franklin propuso llamar a la deficiencia de electrones como positiva, y al exceso de electrones como negativa; que se sigue ahora!!! ¡lo que eventualmente resultó en que la carga electrónica se conociera como negativa!

El pobre electrón ahora tiene que vivir con la carga negativa que le impuso Franklin.

De hecho, en terminología eléctrica, la corriente fluye del terminal positivo al terminal negativo; mientras que físicamente los electrones fluyen del terminal negativo al terminal positivo. Entonces, ahora, debido a ese error de Franklin, ¡tenemos que llamar al flujo eléctrico como el reverso del flujo de electrones!

A mi también me hubiera gustado que fuera al revés, la vida hubiera sido un poco más sencilla!!

Entonces, ¿cuál fue el error de Franklin? ¿Proponer una convención de nomenclatura?
ya... más o menos!!! pero considerando lo que el mundo sabía sobre la electricidad y los electrones en ese momento... no puedes culparlo... lee más sobre esto xkcdsucks.blogspot.com/2009/04/… en los comentarios...
¡Pero en un semiconductor, los agujeros fluyen de positivo a negativo!
Los agujeros no son "reales". Por ejemplo, se mete en algunos problemas cuando intenta asignarles una masa.
@MSalters: los electrones tampoco son reales.
@MSalters: no tiene problemas con los semiconductores de tipo p, la masa de los agujeros es menos la segunda derivada de la energía con respecto a la energía en la banda máxima. La masa efectiva de electrones es negativa en tales materiales. En los semiconductores de tipo n, o metales ordinarios, los agujeros tienen una masa negativa.
Hay una razón por la que llamamos a los agujeros cuasi-partículas y no usamos ese término para los electrones. La masa negativa es solo una de las razones; otra masa anisotrópica. Los electrones pueden escapar de los semiconductores cuando son golpeados por la luz, los agujeros no. Pero sí, por supuesto, hay muchos casos en los que es más fácil usar los agujeros como una ficción conveniente, por ejemplo, el efecto Hall.
@endolith: Pero, no creas que es un poco temerario decir que los electrones y los huecos son equivalentes en términos de su existencia. En ese caso, dirías que la luz y la oscuridad son equivalentes, pero la oscuridad es solo una ausencia de luz.
@VineetMenon: ¿Cómo sabes que los electrones no son la ausencia de agujeros?
@endolith: porque es el electrón el que causa la luz anódica lo que vio JJ Thomson en su experimento de rayos catódicos. Porque es el electrón el que NO tiene masa anisotrópica. Porque es el electrón el que se manifiesta en todas partes, no solo en los semiconductores.
@Vineet: para los bosones, como la luz, no puedes intercambiar la luz y la oscuridad, porque la cantidad de fotones en un modo puede llegar al infinito. Pero cuando tienes fermiones, hay 0 o 1 partícula en un modo, ya sea vacío u ocupado, y puedes intercambiar vacío y ocupado matemáticamente sin contradicción. El intercambio es trivial, pero invierte el signo de la energía cinética, por lo que es convencional definir la partícula como aquella con curvatura positiva en la EC.
@endolith Espera... ¿Los electrones no son reales?
@ tjt263 "El electrón es una teoría que usamos; es tan útil para comprender cómo funciona la naturaleza que casi podemos llamarlo real". - Feynman
@endolith, ¿No es todo una teoría? La relatividad general es una teoría y también lo es un modelo estándar.
@VineetMenon Sí, la física crea modelos matemáticos de cosas reales. Entonces, si un electrón que viaja a través del metal puede modelarse como una partícula, y un agujero que viaja a través de un semiconductor puede modelarse como una partícula, ¿es uno más "real" que el otro? física.stackexchange.com/a/15662/176
@endolith Supongo que eso dependería de la verdad real. Debe haber una verdad real, ¿verdad?
@VineetMenon: no, los agujeros no son la ausencia de electrones. Los semiagujeros son protones. Dado que la carga pos es tan real como la neg, la carga pos nunca es una "ausencia de electrones". (Por ejemplo, el vacío tiene ausencia de electrones. ¿Por lo tanto, el vacío debe tener carga positiva? No). Si comenzamos con materia neutra y eliminamos electrones, dejamos protones que habían sido protegidos/cancelados por electrones, por lo que eliminar electrones es relativo, su carga -separación no "perdida" de electrones. Eliminar protones también es muy común, pero no se nota, porque se llama "eliminar iones +H". Protones = +H iones.
@endolith: No se deje engañar por el argumento de la luz anódica. Los tubos de Crookes de canal-ray muestran haces de ambas polaridades: electrones e iones +. Los imanes desvían ambos haces, pero menos defl. para los pos "rayos de canal" que para los neg "rayos de cátodo". Sí, los electrones metálicos, no los protones, son móviles. ¡Pero los protones de ácido de batería, no los electrones, son móviles! Ahora se sabe que "estático" proviene de la transferencia de iones pos y neg, no de la transferencia de electrones. La bioquímica involucra la unión de electrones, pero también la transferencia de protones +H, las corrientes de protones. El sesgo mental hacia los electrones es el sesgo de los cables de metal, el sesgo de los tubos de vacío: no para científicos/ingenieros. Es para técnicos en la Segunda Guerra Mundial.
@wbeaty, ¿tú también crees que el 11 de septiembre fue una conspiración judía? :)
@VineetMenon Inapropiado. Nunca hay necesidad de ataques personales si los argumentos de uno son herméticos. Los tuyos no lo son, simplemente están equivocados. Pero no estás solo; la creencia irracional de que "la electricidad es igual a electrones" está muy extendida, al igual que la creencia de que los protones nunca fluyen. Sí, los electrones son los portadores en metales sólidos, tubos de vacío, semiconductores, mientras que los protones son los portadores en soluciones ácidas (baterías) y ambas polaridades iónicas son los portadores en electrolitos (humanos, tierra, galvanoplastia, etc.). Es decir, los electrones fluyen en los metales. , pero no en el suelo, ni en humanos sometidos a descargas eléctricas.
En cuanto a los "agujeros" en los semiconductores, son cargas positivas genuinas, pero su movilidad es consecuencia de la estructura de bandas del semiconductor y los electrones de valencia móviles. Un átomo neutro de Si en una red tiene 14 protones cancelados por 14 electrones. Retire un electrón, formando un portador de "agujero". Ahora el átomo de Si tiene un protón en exceso; una carga positiva Esta carga puede "moverse" si un átomo vecino dona un electrón de valencia para cancelar el protón positivo. Pero ese vecino ahora tiene demasiados protones. La carga positiva es real, pero el movimiento se debe a la transferencia de electrones y no a la transferencia de protones.

Las cargas positivas atraen cargas negativas. Lo mismo ocurre con un potencial positivo (una carga negativa quiere que su potencial sea lo más alto posible). Entonces, el electrón fluye del polo - al polo + aumentando su potencial en el proceso.

Podrías ver el polo positivo como una carga positiva que intenta atraer al electrón.

O para seguir la respuesta aprobada: "Es porque definimos la carga de un electrón como la carga negativa que estas convenciones mezclan". Si tuviéramos que cambiar todas las cargas negativas a positivas y las positivas a negativas entonces la corriente y el flujo de electrones coincidirían. Eso es simplemente una cuestión de convención.

No, porque entonces los flujos de protones serían al revés. Por ejemplo, si sus dos polos se conectan al agua salada, entonces no fluyen electrones. En cambio, +Na fluye en una dirección y -Cl en la otra. O conecte los polos a una solución ácida donde el flujo se compone de iones +H (es decir, protones). Franklin solo sería correcto si los cuerpos humanos y el agua salada fueran aislantes, y todos los conductores fueran metales. El error de Franklin: ignorar que la materia misma tenía que ser también una sustancia eléctrica. La idea correcta de Franklin: la gran asimetría de masas entre las corrientes de protones de los ácidos y las corrientes de electrones de los metales.

La denominación de los dos tipos de electricidad no está mal y no puede ser una cuestión de convención humana en absoluto.

(en esta respuesta usaré las palabras "más" y "menos" en lugar de "positivo" y "negativo")

“Más” es el efecto hacia afuera (expansión, soplo, explosión, yang), “menos” es el efecto hacia adentro (contracción, succión, implosión, yin). Por ejemplo, el acto de inhalar es plus, porque nuestro pecho se expande; el acto de exhalar es negativo, porque reduce su tamaño.

De la historia del electromagnetismo se sabe que Benjamin Franklin (1705-1790) es el hombre que introdujo por primera vez los términos “positivo” y “negativo”, es decir, “más/menos” en el campo de la electricidad en medio de el siglo XVIII. Anteriormente, los diferentes tipos de electricidad se llamaban "vítrea" (que significa "vidrio") y "resinosa" (que significa "ámbar"), ya que el vidrio y el ámbar eran los objetos que más se frotaban para producir las electricidades opuestas. En el momento en que Franklin dio su contribución, la gente en realidad había hablado de dos tipos de fluidos eléctricos; sin embargo, Franklin argumentó que solo hay un fluido eléctrico, y el exceso y la escasez de este en los objetos que llamó "más" y "menos". Dijo que los cuerpos en condiciones normales tienen cantidades medias de este líquido y por lo tanto son neutrales.

Sigue siendo un misterio cómo este tipo de pensamiento resultó en que la electricidad del vidrio se llamara "más" y la electricidad del ámbar "menos", aunque se ha registrado que Franklin es el hombre que asignó el más al vidrio y el menos a la electricidad. la electricidad ámbar.

Que estas cosas (es decir, más y menos en la electricidad y en el magnetismo) no son arbitrarias, tengo una prueba que llamo prueba última. Una prueba es última cuando percibimos la verdad inmediatamente (directamente, sin mediación) con nuestros sentidos, en este caso, con nuestros ojos.

Si rotamos los discos de una máquina de Wimshurst girando la manivela manualmente hacia la derecha en una habitación oscura (los resultados más notables se pueden ver de noche en una habitación en la que entra un poco de luz de la calle exterior), y si hacemos esto por al menos 10-15 segundos para que los ojos se acostumbren a la débil luz, notaremos que los cuadrantes horizontales emiten un ligero parpadeo, mientras que los verticales quedan completamente oscuros. Al girar la manivela hacia la izquierda, el parpadeo se traslada a los cuadrantes verticales, mientras que los horizontales ahora permanecen oscuros. Mirando aún más atentamente la escena, notaremos una diferencia cualitativa esencial entre lo que sucede en el cuadrante izquierdo y derecho (es decir, el superior y el inferior cuando la manivela se gira hacia la izquierda). El parpadeo en un cuadrante horizontal se dirige desde los sectores metálicos hacia el exterior, en el otro hacia adentro. En otras palabras, en el cuadrante izquierdo los sectores de metal están oscuros y la luz parpadeante brilla alrededor de ellos, pero en el cuadrante derecho los sectores de metal están iluminados y alrededor de ellos está oscuro.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Los sectores metálicos de la imagen están dibujados como un todo, y no individualmente, porque el fenómeno de la luz aparece como un todo; más precisamente, como dos conjuntos, uno a la izquierda y otro a la derecha, y no individualmente en los sectores.

La electricidad del cuadrante izquierdo (imagen de la izquierda) es la misma que la electricidad vítrea; la electricidad del cuadrante derecho es la misma que la electricidad resinosa. No explicaré cómo se determina esto, porque esta respuesta será mucho más larga (puede consultarla aquí https://newtheories.info ). Entonces, si Benjamin Franklin ha determinado qué es lo positivo y lo negativo de la electricidad, lo hizo bien.

Si llenamos el centro de un anillo magnético (sacados de un pequeño altavoz) con limaduras de hierro, luego golpeamos el imán para permitir que el polvo de hierro tome su forma libremente, la diferencia entre uno y otro lado se vuelve claramente visible. En el polo que apunta al Norte se evidencia una forma de soplo (como si pusiéramos los labios hacia adelante), y en el polo que apunta al Sur una forma de succión (como si pusiéramos los labios hacia adentro). Por lo tanto, el polo positivo con efecto hacia el exterior es el polo sur magnético de la Tierra, y el polo negativo con efecto hacia el interior es el polo norte magnético de la Tierra.

El viento eléctrico sopla de jure y de facto desde el polo positivo al polo negativo de la batería a través del cable de conexión. Pero explicaré esto en otra respuesta.

PD Lo que quiero decir con "viento eléctrico", puede leer aquí https://www.quora.com/What-is-meant-by-electric-wind-What-are-some-examples/answer/Mitko-Gorgiev

'“Plus” es el efecto hacia afuera…soplar' pero también “el acto de exhalar es menos, porque reduce su tamaño”? 🤔
El acto de exhalar es negativo, porque nuestro pecho se reduce de tamaño. El acto de exhalar es una ventaja para una persona que está frente a nosotros. Si te paras frente a un ventilador de refrigeración, dirás que te está soplando (Plus). Una persona parada detrás del ventilador dirá que lo está succionando (menos). electricspace.quora.com/…