Mi végzi a munkát az elektromosságban?

Ha töltést helyezel át magasabb elektromos potenciálú helyről alacsonyabbra akkor az munkát végez, fordított irányban munkát kell befektetni. Mint amikor tömeggel rendelkező testet magasabbra emelsz, vagy engedsz leesni. Hogy milyen módon adja le a munkát, attól függ hogyan "fékezzük" közben az elektronokat. Ha beleütköznek a vezető atomjaiba, átadják mozási energiájuk egy részét, a vezető felmelegszik. Ha olyan irányban irányítjuk őket, hogy egy irányított mágneses mező indukálódik, amely kölcsönhatásba kerül másik mágneses mezővel, ennek a vezető elmozdulása (mechanikai munkavégzés) lehet az eredménye.

Az áram iránya konvenció kérdése. A tényleges irány attól függ milyen polaritású töltés mozog a vezetőben. Mi általában negatív töltéssel találkozunk (elektron), de lehetnek pozitív töltésű lyukak a félvezetőkben, vagy kationok és anionok ellentétes irányú mozgása az oldatokban. Amikor a konvenció megszületett erről a fizika még semmit sem tudott.

Nézzünk először egy másik erőteret:

Mi végzi a munkát a gravitációs erőtérben (mezőben)? A gravitációs mező. A mező erővel hat a testekre, és ha a test elmozdul az erő irányába, akkor munkavégzés történik. Hogyan látjuk ezt a munkát? Mondjuk úgy, hogy a lezúduló víz megforgatja a vízimalom kerekét.

Mi végzi a munkát az elektromos erőtérben (mezőben)? Az elektromos mező. A mező erővel hat a töltésekre, és ha a töltés elmozdul az erő irányába, akkor munkavégzés történik. Hogyan látjuk ezt a munkát? Mondjuk úgy, hogy ha a töltés beleütközik az atomokba (mondjuk egy ellenállás nevű alkatrészben), akkor felmelegíti az ellenállást.

Mi az áram iránya?

Amikor először tapasztaltak elektromos áramot úgy 200 éve, úgy képzelték, hogy ez valamilyen folyadékhoz hasonló dolog, ami mozog a vezetékben az egyik helyről a másik felé. Az egyik helyet elnevezték pozitív pólusnak, a másikat negatívnak, és feltételezték, hogy az áram a pozitívtól folyik a negatív felé. Akkor még nem tudtak olyanról, hogy elektron meg ionok meg ilyesmik, az csak jóval később derült ki, hogy az áramban tipikusan elektronok mozognak, és ráadásul pont fordított irányban, mint amit eddig feltételeztek. Pech. Viszont gyakorlatilag tök mindegy, merre mozognak az elektronok, úgyhogy azóta is hagyományosan úgy szoktuk berajzolni az áramkörbe, hogy a pozitívtól megy az áram a negatív felé.

Mennyit mozognak az elektronok? Egyáltalán ne úgy képzeld el, hogy elindulnak az elem negatív pólusától, aztán végigmennek a vezetéken  és bejutnak a pozitívba és ott "kiegyenlítődnek". Nem. Az erőtér a vezeték teljes hosszában erővel hat a fémben lévő elektronokra, és mindegyik elmozdul egy kicsit. Ha mondjuk váltóáramról van szó (50 Hz-es hálózati áram), akkor 0,01 másodpercig az egyik irányba mozognak az elektronok, aztán meg a másikba. Az összes egyszerre ide-oda a vezeték mentén. És most kapaszkodj, ha mondjuk 1 amper áramerősség van egy 1 mm sugarú rézvezetékben, akkor egyetlen elektron csak egy negyed mikront (!!) mozdul el egyik irányban, aztán fordul az 50 Hz, és megint negyed mikront megy a másik irányba.

(Persze az elektronok ennél sokkal többet mozognak áram nélkül is, de olyankor rendezetlenül mozognak. Amikor áram folyik, akkor erre a rendezetlen mozgáshoz adódik hozzá ez a pici rendezett.)

"Ez az elektronáramlás iránya. Ez a munkavégző képesség iránya."

Első igen, második nem. A munkavégző képességnek nincs iránya.

"A másik irányba nem köthetek be se ledet, se tranzisztor bázis lábat..."

Az nem a munkavégzéstől függ. Mondjuk tranzisztorból van PNP és NPN is, az egyiket így kell bekötni, a másikat meg fordítva.

"Akkor az áram iránya nem ez? (tudom, hogy nem ez, de még nem értem, hogy mért nem... :) )"

De, az áram iránya az amit írtál, az elem negatív sarkától a pozitív felé.

Az, hogy pont fordítva rajzoljuk be, az meg egyszerűen hagyomány.

(Pl. a tranzisztor jelében is a nyíl úgy van, ahogy a hagyomány szerint megy az áram, nem pedig az, ahogy valójában mennek az elektronok.)

"példának okáért a tranzisztor bázis lábához érkező elektronok irányáról..."

PNP tranzisztor esetén tényleg a bázis felé érkeznek az elektronok és az emitter felé mennek, NPN esetén meg pont fordítva.

"Ha "gyakorlatilag tök mind1, merre mozognak az elektronok" mondat helytálló lenne, akkor nem lenne a lednek anód, katód lába."

Ez a kettő nem függ össze. Gyakorlatilag tényleg tök mindegy, hogy hogyan képzeljük el, hogy merre folyik az áram. A dióda jelében is a nyíl meg a tranzisztoroknál is a nyíl pont fordítva van, mint ahogy valójában mennek az elektronok, de attól még el lehet képzelni úgy is, ahogy a nyilak vannak.

"Csak és kizárólag DC árammal kapcsolatban szeretnék felvilágosodni."

A váltóáramot nem azért hoztam fel, mert az valami más lenne. Nem más. Egyenáramnál se mennek messze az elektronok, mondjuk ha egy percen át folyik az 1 amperes áram a vezetéken át, akkor is az elektronok csak olyan másfél millimétert mennek odébb az eredeti helyükhöz képest...

"a munkavégzést az ... elektron többlettel rendelkező ... hely ... felől meginduló ... elektronok végzik"

Ez nem igaz. Az elektronok nem onnan indulnak meg. Végig van egy csomó elektron a vezetékben, a tranzisztorokban, ellenállásokban, stb, és azok mind egyszerre elmozdulnak egy picit.

"A víz nem végez munkát, az csak közvetítő közeg. A nyomás végzi (feszültség) a munkát. (jó ez a hasonlat?) "

A víz mozgási energiája is végez munkát, de az egésznek az eredete a helyzeti energia (nem pedig a nyomás). Az elektromos feszültség a helyzeti energiával analóg, annyiban jó a hasonlat.

"Az amper pedig, az 1 sec alatt áramlott vízmennyiség az adott vezető (cső) keresztmetszetén."

Igen (persze töltésmennyiség, nem vízmennyiség).

"...a fogyasztó küszöbértéke alá"

A normális (ohmikus) fogyasztóknak nincs küszöbértéke, valamit itt már kavarsz. Ha kicsi az áramerősség, kicsi lesz a munka is, de működik az ohmikus fogyasztó. Ha viszont nem lineáris a fogyasztó, akkor lehet küszöbérték, mondjuk egy szilícium dióda nem nyit ki, ha 0,6 voltnál kisebb a feszültség, de ezt ne kavard a többivel.

"A feszültség (volt) IRÁNYA határozza meg, a led működését (anód-katód)?"

Valójában ez érdektelen a munkavégzés szempontjából, csak azért van, mert a LED az egy dióda, ami egyik irányban előfeszítve nyitva van, a másik irányban meg zárva. De ezt ne általánosítsd. A LED éppen olyan dióda, amit nyitóirányban előfeszítve használunk fényforrásnak, a Zener dióda meg olyan dióda, amit záróirányban előfeszítve használunk feszültség-stabilizátornak. Mondjuk a Greatz-hídban pedig 2 dióda nyitó, 2 meg záróirányban van minden pillanatban, úgy működik jól az  áramkör.

De ezek szerintem félrevisznek, az az érzésem, messze állsz még attól, hogy ezekbe gondolj bele.