Når det gjelder ledning av metallledere, mener den klassiske ledningsteorien at det er et stort antall frie elektroner som kan bevege seg fritt inne i metalllederen. Disse frie elektronene beveger seg retningsbestemt under påvirkning av den elektriske feltkraften for å danne en elektrisk strøm.
1 Ekstranukleært elektron av metallatomer
Alle atomer er sammensatt av kjernen og de ekstranukleære elektronene som beveger seg rundt kjernen. Sentripetalkraften som kreves for bevegelsen av elektronene utenfor kjernen er gitt av Coulomb elektriske feltkraft mellom kjernen og elektronene. Tallrike ekstranukleære elektroner er i forskjellige avstander fra kjernen utenfor kjernen. Elektronet nærmest kjernen har størst kraft og den totale energien til elektronet er lavest. Det ytterste elektronet lengst fra kjernen har minst bindingskraft av kjernen, elektronets potensielle energi er størst, og den totale energien er størst. . Fordi det ytterste elektronet er minst bundet, blir det ofte forstyrret av naboatomer og beveger seg rundt nabokjernene. Metallatomene er kombinert til et metalllegeme basert på kraften som dannes av den gjensidige viklingsbevegelsen etter interferensen av det ytre laget av elektroner. På grunn av den svært lille bindekraften har metallet egenskapene til mykhet og lett deformasjon ved oppvarming.
2 Metallleder under påvirkning av Lorentz-kraft (eller indusert elektrisk feltkraft)
Hvis en metallleder kutter den magnetiske induksjonslinjen i et magnetfelt, vil elektronene utenfor kjernen inne i lederen bli utsatt for Lorentz-kraften, og atomene vil bli polarisert under denne handlingen, noe som resulterer i en atomisk polarisering elektromotorisk kraft. Men uansett hvor stor Lorentz-kraften er, kan den ikke gjøre arbeid på elektronet, øke den kinetiske energien til elektronet og gjøre det fri fra bindingen til kjernen. Etter at elektronet er fritt for bindingen til kjernen, vil det fortsette å jobbe på det, og det vil akselerere i retning av kraften for å danne en elektrisk strøm.
3 Metallledere under spenningsfordeling og elektrisk feltkraft
Hvis en spenning påføres begge ender av en metallleder for å danne et spenningsfordeling elektrisk felt inne i lederen, bør elektronene i det ytre kjernelaget inne i lederen utsettes for spenningsfordelingen elektrisk feltkraft når de beveger seg rundt kjernen, og den elektriske feltkraften gjør positivt arbeid på elektronene. , For å øke den kinetiske energien til elektronene, og ha nok energi til å overvinne bindingen til kjernen, og bli frie elektroner utenfor kjernen. Fordi bare de ytterste elektronene i den ytre kjernen har størst energi, for å danne frie elektroner, er det nødvendig å overvinne kjernefysisk tyngdekraft og gjøre minst mulig arbeid, så Under normale omstendigheter, når en spenning påføres begge ender av en leder, kan bare de ytterste elektronene forlate kjernen og bli frie elektroner. Det ytterste elektronet trenger å gjøre minst arbeid for å løsrive seg fra bindingen til kjernen. De frie elektronene etter å ha dannet en strøm er faktisk ikke frie. På den ene siden påvirkes de av den elektriske feltkraften til spenningsfordelingen og bevegelse i retning av den elektriske feltkraften. På den annen side er de ikke uhindret under bevegelsen. For et veldig lite elektron kan rommet innenfor og utenfor atomet sies å være ganske ekspansivt. Kjernen er som en stjerne i det kosmiske rommet, mens frie elektroner er som en liten meteor som flyr i det kosmiske rommet. Denne analogien er ikke særlig hensiktsmessig, fordi Meteor som flyr i verdensrommet kanskje ikke forårsaker motstand fra andre objekter, men frie elektroner er utsatt for motstand. Dette er fordi rommet utenfor kjernen ikke er uten noe, men også går i bane rundt de indre elektronene, og disse metallene Antall indre elektroner er mye mer enn de ytterste elektronene som danner frie elektroner. Vi kan like gjerne kalle barrieren som dannes av de indre elektronene til disse atomene som elektronskygass. Elektronskygassen er negativt ladet, og de frie elektronene er også negativt ladet. Derfor, hvis frie elektroner beveger seg inn i elektronskygassen for å danne en elektrisk strøm, er den bundet til å bli motstått av elektronskygassen. Etter at den stabile strømmen er dannet, hvis spenningen i begge ender av lederen plutselig fjernes, forsvinner det elektriske feltet inne i lederen, og de frie elektronene mister effekten av den elektriske feltkraften. Bare motstand virker på den, så elektronene bremser og hastigheten reduseres raskt til null. . Deretter, under påvirkning av gravitasjonskraften til kjernen, går den tilbake til den tilsvarende banen til det ytre laget av kjernen for å bevege seg rundt kjernen.
4 Ohms lov og motstandslov
I prosessen med strømflyt, på grunn av motstanden til elektronskygassen mot frie elektroner, danner den en viss hindring for strømstrømmen, som også produserer motstanden til lederen. Det må bemerkes at motstanden til frie elektroner under bevegelse ikke er lik lederens motstand. Motstanden til frie elektroner betyr ikke at motstanden til lederen er stor. Motsatt er motstanden til lederen stor, noe som ikke betyr at motstanden til lederen er stor. Når man beveger seg i retning er motstanden stor.
5 Energikonvertering og Joules lov
Når spenning bare påføres begge ender av lederen, utfører den elektriske feltkraften positivt arbeid på de ytterste elektronene i kjernen for å overvinne bindingskraften til kjernen, men arbeidet som gjøres av den elektriske feltkraften som overvinner bindingskraften til kjernen er langt mindre enn arbeidet som gjøres av den langsiktige-strømstrømmen for å overvinne motstanden til elektronen. Derfor er arbeidet som gjøres for å overvinne bindingen til kjernen svært lite og kan ignoreres.
Under akselerasjonen av frie elektroner gjør den elektriske feltkraften også positiv arbeid med den, men fordi elektronet har en veldig kort akselerasjonstid og bevegelsesforskyvningen er veldig liten (ikke diskutert her), er den elektriske feltkraften også veldig liten og kan ignoreres. Derfor, etter at de frie elektronene danner en strøm, er hovedenergitapet til det elektriske feltet å overvinne elektronskyen for å utføre arbeid.
6 Den energiserte lederen beveger seg i et magnetfelt
I analysen ovenfor, når strømmen passerer gjennom lederen, overvinner den bare elektronskygassen for å utføre arbeid. Elektronskygassens hindring for frie elektroner er vist som motstand, så en slik leder kalles en ren motstandsleder, og en krets med bare en ren motstandsleder i kretsen kalles en ren motstandskrets. Det kan sees fra formlene ovenfor at den rene motstandskretsen konverterer elektrisk arbeid til varmeenergi.
Imidlertid vil den energiserte lederen bli utsatt for kraften fra magnetfeltet (amperekraft) i magnetfeltet. Under denne kraften begynner lederen å bevege seg raskere, kutter de magnetiske induksjonslinjene, polariserer atomene i lederen og genererer en polarisert elektromotorisk kraft. Dannelsen av terminal indusert elektromotorisk kraft vil generere et elektrisk felt i andre deler av den ytre lederen, og produsere motstand mot de frie elektronene som strømmer gjennom. For å overvinne motstanden, genererer strømmen et spenningsfordeling elektrisk felt i samme retning som strømmen i lederen, noe som gjør at det elektriske feltet og induksjonen Det elektriske feltet som genereres av den elektromotoriske kraften kansellerer ut, og opprettholder dermed stabiliteten til strømmen, og genererer også en spenning i begge ender av lederen. Størrelsen på spenningen er nøyaktig den samme som den induserte elektromotoriske kraften og retningen er motsatt.
På denne måten må spenningsfordelingens elektriske feltkraft overvinne motstanden som genereres av den induserte elektromotoriske kraften for å utføre arbeid og forbruke elektrisk energi. Denne energien omdannes til en amperekraft for å utføre arbeid på omverdenen, som vises i form av mekanisk energi.
Hvis lederen plassert i magnetfeltet ikke er en ideell leder, må den elektriske feltkraften ikke bare overvinne den induserte elektromotoriske kraften for å utføre arbeid, men også overvinne motstanden til elektronskyen for å utføre arbeid. Derfor omdannes en del av den elektriske energien til form av mekanisk energi, og en del av den omdannes til varmeenergi.
7 Strømforsyning etter strøm
Hva skjer inne i strømforsyningen etter at strømmen flyter? Siden ikke-elektrostatisk kraft bare kan polarisere atomer og generere elektromotorisk kraft i strømforsyningen, kan ikke den ikke-elektrostatiske kraften gjøre arbeid på elektroner, og den kan heller ikke få ytre elektroner til å overvinne bindingen til atomkjerner og bli frie elektroner, enn si direkte bevegelse av elektroner for å danne en elektrisk strøm. , Så hvordan dannes strømmen inne i strømforsyningen?
For å danne en strøm i strømforsyningen, i tillegg til å få de ytre elektronene til å overvinne bindingen til kjernen, er det også nødvendig å overvinne motstanden til elektronskyen for å utføre arbeid. Ikke-elektrostatikk har ingen slik funksjon. Derfor må det genereres en spenningsfordeling fra den negative polen til strømforsyningen til den positive polen i strømforsyningen. I det elektriske feltet danner det ytre laget av elektroner en strøm under påvirkning av denne elektriske feltkraften og genererer et spenningsfall inne i strømforsyningen. Spenningsfallet er høyere enn det positive elektrodepotensialet, det vil si at retningen er fra den negative elektroden til den positive elektroden, og retningen til den elektromotoriske kraften til strømforsyningen er motsatt.
