Jeśli chodzi o przewodnictwo metalowych przewodników, klasyczna teoria przewodnictwa zakłada, że wewnątrz metalowego przewodnika może swobodnie poruszać się duża liczba wolnych elektronów. Te wolne elektrony poruszają się kierunkowo pod wpływem siły pola elektrycznego, tworząc prąd elektryczny.
1 Pozajądrowy elektron atomów metali
Wszystkie atomy składają się z jądra i elektronów pozajądrowych poruszających się wokół jądra. Siła dośrodkowa wymagana do ruchu elektronów poza jądro jest zapewniana przez siłę pola elektrycznego Coulomba między jądrem a elektronami. Liczne elektrony pozajądrowe znajdują się w różnych odległościach od jądra na zewnątrz jądra. Elektron znajdujący się najbliżej jądra ma największą siłę, a całkowita energia elektronu jest najniższa. Najbardziej zewnętrzny elektron znajdujący się najdalej od jądra ma najmniejszą siłę wiązania przez jądro, energia potencjalna elektronu jest największa, a energia całkowita jest największa. . Ponieważ najbardziej zewnętrzny elektron jest najmniej związany, często zakłócają go sąsiednie atomy i porusza się wokół sąsiednich jąder. Atomy metalu łączą się w metalowy korpus w oparciu o siłę utworzoną przez wzajemny ruch uzwojenia po interferencji zewnętrznej warstwy elektronów. Dzięki bardzo małej sile wiązania metal charakteryzuje się miękkością i łatwością odkształcania się po podgrzaniu.
2 Metalowy przewodnik pod działaniem siły Lorentza (lub siły indukowanego pola elektrycznego)
Jeżeli metalowy przewodnik przecina linię indukcji magnetycznej w polu magnetycznym, elektrony na zewnątrz rdzenia wewnątrz przewodnika zostaną poddane działaniu siły Lorentza, a atomy ulegną polaryzacji pod tym działaniem, co spowoduje powstanie siły elektromotorycznej polaryzacji atomowej. Ale niezależnie od tego, jak wielka jest siła Lorentza, nie jest ona w stanie wykonać pracy nad elektronem, zwiększyć jego energii kinetycznej i uwolnić go od wiązania jądra. Po uwolnieniu się elektronu z wiązania jądra będzie on nadal na niego działał i będzie przyspieszał w kierunku działania siły, tworząc prąd elektryczny.
3 Przewodniki metalowe pod wpływem rozkładu napięcia i siły pola elektrycznego
Jeśli do obu końców metalowego przewodnika przyłożone zostanie napięcie w celu wytworzenia pola elektrycznego rozkładu napięcia wewnątrz przewodnika, elektrony w zewnętrznej warstwie jądrowej wewnątrz przewodnika powinny zostać poddane działaniu siły pola elektrycznego rozkładu napięcia, gdy poruszają się po jądrze, a siła pola elektrycznego wykonuje dodatnią pracę na elektronach. , Aby zwiększyć energię kinetyczną elektronów i mieć wystarczającą energię, aby pokonać wiązanie w jądrze i stać się wolnymi elektronami poza jądrem. Ponieważ tylko najbardziej zewnętrzne elektrony w jądrze zewnętrznym mają największą energię, aby utworzyć wolne elektrony, konieczne jest pokonanie grawitacji jądrowej i wykonanie jak najmniejszej pracy, więc w normalnych okolicznościach, gdy napięcie zostanie przyłożone do obu końców przewodnika, tylko najbardziej zewnętrzne elektrony mogą opuścić jądro i stać się wolnymi elektronami. Najbardziej zewnętrzny elektron musi wykonać najmniejszą pracę, aby wyrwać się z wiązania jądra. Wolne elektrony po utworzeniu prądu w rzeczywistości nie są wolne. Z jednej strony oddziałuje na nie siła pola elektrycznego rozkładu napięcia i ruch w kierunku siły pola elektrycznego. Z drugiej strony nie są one nieskrępowane podczas ruchu. Można powiedzieć, że w przypadku bardzo małego elektronu przestrzeń wewnątrz i na zewnątrz atomu jest dość ekspansywna. Jądro jest jak gwiazda w przestrzeni kosmicznej, podczas gdy wolne elektrony są jak mały meteor lecący w przestrzeni kosmicznej. Ta analogia nie jest zbyt trafna, ponieważ Meteor lecący w przestrzeni może nie powodować oporu ze strony innych obiektów, ale wolne elektrony podlegają oporowi. Dzieje się tak dlatego, że przestrzeń na zewnątrz jądra nie jest pozbawiona niczego, ale orbituje także wokół wewnętrznych elektronów, a te metale. Liczba wewnętrznych elektronów jest znacznie większa niż najbardziej zewnętrznych elektronów, które tworzą wolne elektrony. Równie dobrze moglibyśmy nazwać barierę utworzoną przez wewnętrzne elektrony tych atomów gazową chmurą elektronową. Gazowa chmura elektronów jest naładowana ujemnie, wolne elektrony również są naładowane ujemnie. Dlatego też, jeśli wolne elektrony przemieszczają się w gazie chmury elektronów, tworząc prąd elektryczny, gaz z chmury elektronów z pewnością stawia mu opór. Jeśli po utworzeniu stabilnego prądu napięcie na obu końcach przewodnika zostanie nagle usunięte, pole elektryczne wewnątrz przewodnika zaniknie, a wolne elektrony stracą wpływ siły pola elektrycznego. Działa na nią tylko opór, więc elektrony zwalniają, a prędkość szybko spada do zera.. . Następnie pod działaniem siły grawitacji jądra powraca na odpowiednią orbitę zewnętrznej warstwy jądra, aby poruszać się wokół jądra.
Prawo 4 Ohma i prawo rezystancji
W procesie przepływu prądu, ze względu na opór gazu chmury elektronowej wobec wolnych elektronów, tworzy on pewną przeszkodę w przepływie prądu, co powoduje również opór przewodnika. Należy zauważyć, że opór swobodnych elektronów podczas ruchu nie jest równy oporowi przewodnika. Opór wolnych elektronów nie oznacza, że opór przewodnika jest duży. I odwrotnie, rezystancja przewodnika jest duża, co nie oznacza, że rezystancja przewodnika jest duża. Podczas poruszania się w kierunku kierunkowym opór jest duży.
5 Konwersja energii i prawo Joule'a
Kiedy napięcie zostanie przyłożone do obu końców przewodnika, siła pola elektrycznego wykonuje dodatnią pracę na najbardziej zewnętrznych elektronach jądra, pokonując siłę wiązania jądra, ale praca wykonana przez siłę pola elektrycznego pokonującą siłę wiązania jądra jest znacznie mniejsza niż praca wykonana przez długoterminowy-przepływ prądu w celu pokonania oporu chmury elektronów. Dlatego praca wykonana w celu pokonania wiązania jądra jest bardzo mała i można ją zignorować.
Podczas przyspieszania swobodnych elektronów siła pola elektrycznego również wykonuje na niego dodatnią pracę, ale ponieważ elektron ma bardzo krótki czas przyspieszania, a przemieszczenie ruchu jest bardzo małe (nie omawiane tutaj), siła pola elektrycznego jest również bardzo mała i można ją zignorować. Dlatego też, gdy wolne elektrony utworzą prąd, główna strata energii pola elektrycznego polega na pokonaniu chmury elektronów w celu wykonania pracy.
6 Przewodnik pod napięciem porusza się w polu magnetycznym
W powyższej analizie, gdy prąd przepływa przez przewodnik, w celu wykonania pracy pokonuje jedynie gazową chmurę elektronów. Przeszkoda gazu chmury elektronowej w uwalnianiu elektronów jest pokazana jako opór, dlatego taki przewodnik nazywany jest przewodnikiem o czystym oporze, a obwód, w którym znajduje się tylko czysty przewodnik oporowy, nazywany jest obwodem o czystym oporze. Z powyższych wzorów widać, że czysty obwód oporowy przekształca pracę elektryczną w energię cieplną.
Jednakże przewodnik pod napięciem będzie poddany działaniu siły pola magnetycznego (siły amperowej) w polu magnetycznym. Pod wpływem tej siły przewodnik zaczyna poruszać się szybciej, przecinając linie indukcji magnetycznej, polaryzując atomy w przewodniku i generując spolaryzowaną siłę elektromotoryczną. Utworzenie indukowanej na terminalu siły elektromotorycznej spowoduje wygenerowanie pola elektrycznego w innych częściach zewnętrznego przewodnika i wytworzenie oporu dla przepływających przez niego swobodnych elektronów. Aby pokonać opór, prąd wytwarza pole elektryczne o rozkładzie napięcia w tym samym kierunku, co prąd w przewodniku, tworząc pole elektryczne i indukcję. Pole elektryczne generowane przez siłę elektromotoryczną znosi się, utrzymując w ten sposób stabilność prądu, a także generuje napięcie na obu końcach przewodnika. Wielkość napięcia jest dokładnie taka sama jak indukowana siła elektromotoryczna, a kierunek jest przeciwny.
W ten sposób siła pola elektrycznego rozkładu napięcia musi pokonać opór generowany przez indukowaną siłę elektromotoryczną, aby wykonać pracę i zużyć energię elektryczną. Energia ta jest przekształcana w siłę amperową, która wykonuje pracę na świecie zewnętrznym, która objawia się w postaci energii mechanicznej.
Jeśli przewodnik umieszczony w polu magnetycznym nie jest przewodnikiem idealnym, wówczas siła pola elektrycznego musi nie tylko pokonać indukowaną siłę elektromotoryczną, aby wykonać pracę, ale także pokonać opór chmury elektronów, aby wykonać pracę. Dlatego część energii elektrycznej zamieniana jest na energię mechaniczną, a część na energię cieplną.
7 Zasilanie po przepływie prądu
Co dzieje się wewnątrz zasilacza po przepłynięciu prądu? Ponieważ siła nie-elektrostatyczna może jedynie polaryzować atomy i generować siłę elektromotoryczną w zasilaczu, siła nie-elektrostatyczna nie może wykonać pracy na elektronach ani nie może sprawić, że elektrony zewnętrzne pokonają wiązania jąder atomowych i staną się wolnymi elektronami, nie mówiąc już o kierowaniu ruchem elektronów w celu wytworzenia prądu elektrycznego. , Jak w takim razie powstaje prąd wewnątrz zasilacza?
Aby wytworzyć prąd w zasilaczu, oprócz tego, że zewnętrzne elektrony pokonają wiązanie jądra, konieczne jest również pokonanie oporu chmury elektronów w celu wykonania pracy. Substancje nie-elektrostatyczne nie mają takiej funkcji. Dlatego w zasilaczu musi być generowany rozkład napięcia od bieguna ujemnego zasilacza do bieguna dodatniego. W polu elektrycznym zewnętrzna warstwa elektronów pod wpływem tej siły pola elektrycznego wytwarza prąd i generuje spadek napięcia wewnątrz zasilacza. Spadek napięcia jest wyższy niż potencjał elektrody dodatniej, to znaczy kierunek jest od elektrody ujemnej do elektrody dodatniej, a kierunek siły elektromotorycznej zasilacza jest przeciwny.
