Що стосується провідності металевих провідників, класична теорія провідності вважає, що існує велика кількість вільних електронів, які можуть вільно рухатися всередині металевого провідника. Ці вільні електрони рухаються спрямовано під дією сили електричного поля, утворюючи електричний струм.
1 Позаядерний електрон атомів металу
Усі атоми складаються з ядра та позаядерних електронів, що рухаються навколо ядра. Доцентрова сила, необхідна для руху електронів поза ядром, створюється силою кулонівського електричного поля між ядром і електронами. Численні позаядерні електрони знаходяться на різних відстанях від ядра поза ядром. Найближчий до ядра електрон має найбільшу силу, а повна енергія електрона найменша. Зовнішній електрон, найдальший від ядра, має найменшу силу зв’язку з ядром, потенційна енергія електрона є найбільшою, а загальна енергія – найбільшою. . Оскільки зовнішній електрон є найменш зв’язаним, йому часто заважають сусідні атоми, і він рухається навколо сусідніх ядер. Атоми металу об'єднуються в металеве тіло на основі сили, що утворюється взаємним звивистим рухом після інтерференції зовнішнього шару електронів. Завдяки дуже малій силі зв'язування метал має характеристики м'якості та легкої деформації при нагріванні.
2 Металевий провідник під дією сили Лоренца (або індукованого електричного поля)
Якщо металевий провідник перерізає лінію магнітної індукції в магнітному полі, на електрони поза серцевиною всередині провідника буде діяти сила Лоренца, і атоми будуть поляризовані під цією дією, що призведе до виникнення електрорушійної сили атомної поляризації. Але якою б великою не була сила Лоренца, вона не може виконати роботу над електроном, збільшити кінетичну енергію електрона і звільнити його від зв’язку ядра. Після того, як електрон звільниться від зв’язку ядра, він продовжить працювати над ним, і він буде прискорюватися в напрямку дії сили з утворенням електричного струму.
3 Металеві провідники під впливом розподілу напруги та сили електричного поля
Якщо напруга прикладена до обох кінців металевого провідника, щоб сформувати електричне поле розподілу напруги всередині провідника, на електрони у зовнішньому ядерному шарі всередині провідника повинна діяти сила електричного поля розподілу напруги, коли вони рухаються навколо ядра, і сила електричного поля виконує позитивну роботу над електронами. , Щоб збільшити кінетичну енергію електронів, мати достатньо енергії, щоб подолати зв’язок ядра, і стати вільними електронами поза ядром. Оскільки лише крайні електрони зовнішнього ядра мають найбільшу енергію, щоб утворити вільні електрони, необхідно подолати ядерну гравітацію та виконати найменшу роботу, тому за нормальних обставин, коли напруга прикладена до обох кінців провідника, лише крайні електрони можуть покинути ядро та стати вільними електронами. Крайньому зовнішньому електрону потрібно зробити найменшу роботу, щоб вирватися з зв’язку ядра. Вільні електрони після утворення струму насправді не є вільними. З одного боку, на них діє сила електричного поля розподілу напруги і переміщення в напрямку дії сили електричного поля. З іншого боку, вони не безперешкодні під час руху. Для дуже маленького електрона можна сказати, що простір всередині та зовні атома досить великий. Ядро схоже на зірку в космічному просторі, тоді як вільні електрони схожі на маленький метеор, що летить у космічному просторі. Ця аналогія не дуже доречна, тому що Метеор, що летить у космосі, може не викликати опору з боку інших об'єктів, але вільні електрони схильні до опору. Це тому, що простір поза ядром не позбавлений нічого, але також обертається навколо внутрішніх електронів, і ці метали. Кількість внутрішніх електронів набагато більше, ніж кількість зовнішніх електронів, які утворюють вільні електрони. Ми могли б також назвати бар’єр, утворений внутрішніми електронами цих атомів, газом електронної хмари. Газ електронної хмари негативно заряджений, і вільні електрони також негативно заряджені. Отже, якщо вільні електрони рухаються в газі електронної хмари, утворюючи електричний струм, йому обов’язково буде протидіяти газ електронної хмари. Після утворення стабільного струму, якщо напруга на обох кінцях провідника раптово припиняється, електричне поле всередині провідника зникає, а вільні електрони втрачають дію сили електричного поля. На нього діє лише опір, тому електрони сповільнюються, і швидкість швидко зменшується до нуля. . Потім під дією сили тяжіння ядра воно повертається на відповідну орбіту зовнішнього шару ядра, щоб рухатися навколо ядра.
4 Закон Ома і закон опору
У процесі протікання струму, завдяки опору газу електронної хмари вільним електронам, він утворює певну перешкоду для протікання струму, що також створює опір провідника. Слід зазначити, що опір вільних електронів під час руху не дорівнює опору провідника. Опір вільних електронів не означає, що опір провідника великий. І навпаки, опір провідника великий, що не означає, що опір провідника великий. При прямому русі опір великий.
5 Перетворення енергії та закон Джоуля
Коли напруга прикладена до обох кінців провідника, сила електричного поля виконує додатну роботу над крайніми електронами ядра, щоб подолати силу зв’язку ядра, але робота, виконана силою електричного поля, яка долає силу зв’язку ядра, набагато менша, ніж робота, яку виконує довготривалий -струм, щоб подолати опір електронної хмари. Тому робота, яка виконується для подолання зв'язку ядра, дуже мала і нею можна знехтувати.
Під час прискорення вільних електронів сила електричного поля також виконує над ним додатну роботу, але оскільки електрон має дуже короткий час прискорення, а зміщення руху дуже мале (тут не обговорюється), сила електричного поля також дуже мала, і нею можна знехтувати. Тому після того, як вільні електрони утворюють струм, основна втрата енергії електричного поля полягає в тому, щоб подолати електронну хмару для виконання роботи.
6 Провідник під напругою рухається в магнітному полі
У наведеному вище аналізі, коли струм проходить через провідник, він лише долає газ електронної хмари, щоб виконати роботу. Перешкода газу електронної хмари для вільних електронів показана як опір, тому такий провідник називається провідником із чистим опором, а коло, у колі якого є лише провідник із чистим опором, називається ланцюгом з чистим опором. З наведених вище формул видно, що контур чистого опору перетворює електричну роботу в теплову енергію.
Однак на провідник під напругою буде діяти сила магнітного поля (сила Ампера) в магнітному полі. Під дією цієї сили провідник починає рухатися швидше, перериваючи лінії магнітної індукції, поляризуючи атоми в провіднику та створюючи поляризовану електрорушійну силу. Утворення кінцевої індукованої електрорушійної сили створюватиме електричне поле в інших частинах зовнішнього провідника та створюватиме опір вільним електронам, що проходять через нього. Щоб подолати опір, струм створює електричне поле розподілу напруги в тому ж напрямку, що й струм у провіднику, створюючи електричне поле та індукцію. Електричне поле, створене електрорушійною силою, гаситься, таким чином зберігаючи стабільність струму, а також створює напругу на обох кінцях провідника. Величина напруги точно така ж, як і індукована електрорушійна сила, а напрям протилежний.
Таким чином, сила електричного поля розподілу напруги повинна долати опір, створюваний індукованою електрорушійною силою, щоб виконувати роботу та споживати електричну енергію. Ця енергія перетворюється на силу Ампера для виконання роботи над зовнішнім світом, яка проявляється у вигляді механічної енергії.
Якщо провідник, поміщений у магнітне поле, не є ідеальним провідником, тоді сила електричного поля повинна не лише подолати індуковану електрорушійну силу, щоб виконати роботу, але й подолати опір електронної хмари, щоб виконати роботу. Тому частина електричної енергії перетворюється в механічну, а частина — в теплову.
7 Живлення після протікання струму
Що відбувається всередині джерела живлення після протікання струму? Оскільки не-електростатична сила може лише поляризувати атоми та створювати електрорушійну силу в джерелі живлення, не-електростатична сила не може виконувати роботу над електронами, а також не може змусити зовнішні електрони подолати зв’язок атомних ядер і стати вільними електронами, не кажучи вже про спрямування руху електронів для утворення електричного струму. , Тоді як утворюється струм всередині джерела живлення?
Для формування струму в джерелі живлення, крім того, щоб змусити зовнішні електрони подолати зв'язок ядра, необхідно також подолати опір електронної хмари для виконання роботи. Не-електростатика не має такої функції. Тому в джерелі живлення має бути створений розподіл напруги від негативного полюса джерела живлення до позитивного. В електричному полі зовнішній шар електронів утворює струм під дією цієї сили електричного поля і створює падіння напруги всередині джерела живлення. Падіння напруги вище, ніж потенціал позитивного електрода, тобто напрямок від негативного електрода до позитивного електрода, а напрямок електрорушійної сили джерела живлення протилежний.
