Wat de geleiding van metalen geleiders betreft, gaat de klassieke geleidingstheorie ervan uit dat er een groot aantal vrije elektronen is die zich vrij in de metalen geleider kunnen bewegen. Deze vrije elektronen bewegen zich onder invloed van de elektrische veldkracht in een richting en vormen een elektrische stroom.
1 Extranucleair elektron van metaalatomen
Alle atomen zijn samengesteld uit de kern en de extranucleaire elektronen die rond de kern bewegen. De centripetale kracht die nodig is voor de beweging van de elektronen buiten de kern wordt geleverd door de elektrische veldkracht van Coulomb tussen de kern en de elektronen. Talloze extranucleaire elektronen bevinden zich op verschillende afstanden van de kern buiten de kern. Het elektron dat zich het dichtst bij de kern bevindt, heeft de grootste kracht en de totale energie van het elektron is het laagst. Het buitenste elektron dat het verst van de kern verwijderd is, heeft de minste bindingskracht van de kern, de potentiële energie van het elektron is het grootst en de totale energie is het grootst.. . Omdat het buitenste elektron het minst gebonden is, wordt het vaak verstoord door naburige atomen en beweegt het rond de naburige kernen. De metaalatomen worden gecombineerd tot een metalen lichaam op basis van de kracht die wordt gevormd door de onderlinge wikkelbeweging na interferentie van de buitenste laag elektronen. Door de zeer kleine bindkracht heeft het metaal de eigenschappen van zachtheid en gemakkelijke vervorming bij verhitting.
2 Metalen geleider onder invloed van Lorentz-kracht (of geïnduceerde elektrische veldkracht)
Als een metalen geleider de magnetische inductielijn in een magnetisch veld doorsnijdt, zullen de elektronen buiten de kern in de geleider worden onderworpen aan de Lorentz-kracht, en de atomen zullen onder deze actie worden gepolariseerd, wat resulteert in een atomaire polarisatie-elektromotorische kracht. Maar hoe groot de Lorentzkracht ook is, hij kan geen werk op het elektron doen, de kinetische energie van het elektron vergroten en het vrij maken van de binding van de kern. Nadat het elektron vrij is van de binding van de kern, zal het eraan blijven werken en zal het versnellen in de richting van de kracht om een elektrische stroom te vormen.
3 Metalen geleiders onder spanningsverdeling en elektrische veldkracht
Als er een spanning wordt aangelegd aan beide uiteinden van een metalen geleider om een elektrisch veld met spanningsverdeling binnen de geleider te vormen, moeten de elektronen in de buitenste nucleaire laag in de geleider worden onderworpen aan de elektrische veldkracht voor de spanningsverdeling wanneer ze rond de kern bewegen, en de elektrische veldkracht doet positief werk op de elektronen. , Om de kinetische energie van de elektronen te vergroten en voldoende energie te hebben om de gebondenheid van de kern te overwinnen en vrije elektronen buiten de kern te worden. Omdat alleen de buitenste elektronen in de buitenste kern de grootste energie hebben, is het, om vrije elektronen te vormen, nodig om de nucleaire zwaartekracht te overwinnen en het minste werk te doen. Onder normale omstandigheden, wanneer er spanning wordt aangelegd op beide uiteinden van een geleider, kunnen alleen de buitenste elektronen de kern verlaten en vrije elektronen worden. Het buitenste elektron hoeft het minste werk te doen om zich los te maken van de binding van de kern. De vrije elektronen na het vormen van een stroom zijn eigenlijk niet vrij. Enerzijds worden ze beïnvloed door de elektrische veldkracht van de spanningsverdeling en beweging in de richting van de elektrische veldkracht. Aan de andere kant zijn ze niet ongehinderd tijdens de beweging. Voor een heel klein elektron kan worden gezegd dat de ruimte binnen en buiten het atoom behoorlijk uitgestrekt is. De kern is als een ster in de kosmische ruimte, terwijl vrije elektronen als een kleine meteoor zijn die in de kosmische ruimte vliegt. Deze analogie is niet erg toepasselijk, omdat meteoren die in de ruimte vliegen misschien geen weerstand van andere objecten veroorzaken, maar vrije elektronen zijn wel onderhevig aan weerstand. Dit komt omdat de ruimte buiten de kern niet zonder niets is, maar ook om de binnenste elektronen en deze metalen draait. Het aantal binnenste elektronen is veel groter dan de buitenste elektronen die vrije elektronen vormen. We zouden de barrière gevormd door de binnenste elektronen van deze atomen net zo goed elektronenwolkgas kunnen noemen. Het elektronenwolkgas is negatief geladen en de vrije elektronen zijn ook negatief geladen. Daarom, als vrije elektronen in het elektronenwolkgas heen en weer bewegen om een elektrische stroom te vormen, zal het elektronenwolkgas daar zeker weerstand tegen bieden. Nadat de stabiele stroom is gevormd en de spanning aan beide uiteinden van de geleider plotseling wordt verwijderd, verdwijnt het elektrische veld in de geleider en verliezen de vrije elektronen het effect van de elektrische veldkracht. Er werkt alleen weerstand op, dus de elektronen vertragen en de snelheid neemt snel af tot nul.. . Vervolgens keert de kern, onder invloed van de zwaartekracht van de kern, terug naar de overeenkomstige baan van de buitenste laag van de kern om rond de kern te bewegen.
De wet van 4 Ohm en de weerstandswet
Tijdens het stroomproces vormt het, vanwege de weerstand van het elektronenwolkgas tegen vrije elektronen, een bepaald obstakel voor de stroomstroom, die ook de weerstand van de geleider produceert. Opgemerkt moet worden dat de weerstand van vrije elektronen tijdens beweging niet gelijk is aan de weerstand van de geleider. De weerstand van vrije elektronen betekent niet dat de weerstand van de geleider groot is. Omgekeerd is de weerstand van de geleider groot, wat niet betekent dat de weerstand van de geleider groot is. Bij beweging in een richting is de weerstand groot.
5 Energieconversie en de wet van Joule
Wanneer net spanning wordt toegepast op beide uiteinden van de geleider, doet de elektrische veldkracht positief werk op de buitenste elektronen van de kern om de bindende kracht van de kern te overwinnen, maar het werk dat wordt gedaan door de elektrische veldkracht die de bindende kracht van de kern overwint, is veel minder dan het werk dat wordt gedaan door de stroom op lange termijn- om de weerstand van de elektronenwolk te overwinnen. Daarom is de inspanning die wordt geleverd om de binding van de kern te overwinnen erg klein en kan deze worden genegeerd.
Tijdens de versnelling van vrije elektronen doet de elektrische veldkracht er ook positief werk op, maar omdat het elektron een zeer korte versnellingstijd heeft en de bewegingsverplaatsing erg klein is (hier niet besproken), is de elektrische veldkracht ook erg klein en kan worden genegeerd. Daarom, nadat de vrije elektronen een stroom hebben gevormd, is het belangrijkste energieverlies van het elektrische veld het overwinnen van de elektronenwolk om werk te doen.
6 De bekrachtigde geleider beweegt in een magnetisch veld
In de bovenstaande analyse, wanneer de stroom door de geleider gaat, overwint deze alleen het elektronenwolkgas om werk te doen. Het obstakel van het elektronenwolkgas om elektronen vrij te maken wordt weergegeven als weerstand, dus een dergelijke geleider wordt een zuivere weerstandsgeleider genoemd, en een circuit met alleen een zuivere weerstandsgeleider in het circuit wordt een zuiver weerstandscircuit genoemd. Uit de bovenstaande formules blijkt dat het pure weerstandscircuit elektrisch werk omzet in warmte-energie.
De bekrachtigde geleider zal echter worden onderworpen aan de kracht van het magnetische veld (ampèrekracht) in het magnetische veld. Onder deze kracht begint de geleider sneller te bewegen, waardoor de magnetische inductielijnen worden doorgesneden, de atomen in de geleider worden gepolariseerd en een gepolariseerde elektromotorische kracht wordt gegenereerd. De vorming van terminale geïnduceerde elektromotorische kracht zal een elektrisch veld genereren in andere delen van de buitenste geleider, en weerstand produceren tegen de vrije elektronen die er doorheen stromen. Om de weerstand te overwinnen, genereert de stroom een elektrisch veld met spanningsverdeling in dezelfde richting als de stroom in de geleider, waardoor het elektrische veld en de inductie worden opgeheven. Het elektrische veld gegenereerd door de elektromotorische kracht wordt opgeheven, waardoor de stabiliteit van de stroom behouden blijft, en genereert ook een spanning aan beide uiteinden van de geleider. De grootte van de spanning is precies hetzelfde als de geïnduceerde elektromotorische kracht en de richting is tegengesteld.
Op deze manier moet de elektrische veldkracht van de spanningsverdeling de weerstand overwinnen die wordt gegenereerd door de geïnduceerde elektromotorische kracht om arbeid te verrichten en elektrische energie te verbruiken. Deze energie wordt omgezet in een ampèrekracht om werk te doen aan de buitenwereld, wat verschijnt in de vorm van mechanische energie.
Als de in het magnetische veld geplaatste geleider geen ideale geleider is, moet de elektrische veldkracht niet alleen de geïnduceerde elektromotorische kracht overwinnen om arbeid te verrichten, maar ook de weerstand van de elektronenwolk om arbeid te verrichten. Daarom wordt een deel van de elektrische energie omgezet in de vorm van mechanische energie, en een deel ervan in warmte-energie.
7 Voeding na stroomverloop
Wat gebeurt er in de voeding nadat de stroom vloeit? Omdat niet-elektrostatische kracht alleen atomen kan polariseren en elektromotorische kracht kan genereren in de stroomvoorziening, kan de niet-elektrostatische kracht geen werk doen op elektronen, noch kan het ervoor zorgen dat buitenste elektronen de binding van atoomkernen overwinnen en vrije elektronen worden, laat staan directe beweging van elektronen om een elektrische stroom te vormen. Hoe wordt dan de stroom in de voeding gevormd?
Om een stroom in de stroomvoorziening te vormen, is het niet alleen nodig om de buitenste elektronen de binding van de kern te laten overwinnen, maar ook om de weerstand van de elektronenwolk te overwinnen om arbeid te kunnen verrichten. Niet-elektrostatica hebben een dergelijke functie niet. Daarom moet in de voeding een spanningsverdeling van de negatieve pool van de voeding naar de positieve pool worden gegenereerd. In het elektrische veld vormt de buitenste laag elektronen een stroom onder de werking van deze elektrische veldkracht en genereert een spanningsval in de voeding. De spanningsval is hoger dan de positieve elektrodepotentiaal, dat wil zeggen, de richting is van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode en de richting van de elektromotorische kracht van de voeding is tegengesteld.
