När det gäller metallledares ledning menar den klassiska ledningsteorin att det finns ett stort antal fria elektroner som kan röra sig fritt inuti metallledaren. Dessa fria elektroner rör sig i riktning under inverkan av den elektriska fältkraften för att bilda en elektrisk ström.
1 Extranukleär elektron av metallatomer
Alla atomer är sammansatta av kärnan och de extranukleära elektronerna som rör sig runt kärnan. Den centripetalkraft som krävs för elektronernas rörelse utanför kärnan tillhandahålls av Coulombs elektriska fältkraft mellan kärnan och elektronerna. Många extranukleära elektroner befinner sig på olika avstånd från kärnan utanför kärnan. Elektronen närmast kärnan har störst kraft och elektronens totala energi är lägst. Den yttersta elektronen längst bort från kärnan har den minsta bindningskraften av kärnan, elektronens potentiella energi är störst och den totala energin är störst. . Eftersom den yttersta elektronen är minst bunden, störs den ofta av angränsande atomer och rör sig runt de närliggande kärnorna. Metallatomerna kombineras till en metallkropp baserad på kraften som bildas av den ömsesidiga lindningsrörelsen efter interferensen av det yttre lagret av elektroner. På grund av den mycket lilla bindningskraften har metallen egenskaperna mjukhet och lätt deformering vid upphettning.
2 Metallledare under inverkan av Lorentzkraft (eller inducerad elektrisk fältkraft)
Om en metallledare skär den magnetiska induktionslinjen i ett magnetfält, kommer elektronerna utanför kärnan inuti ledaren att utsättas för Lorentz-kraften, och atomerna kommer att polariseras under denna verkan, vilket resulterar i en elektromotorisk kraft för atompolarisering. Men oavsett hur stor Lorentz-kraften är, kan den inte utföra arbete på elektronen, öka elektronens kinetiska energi och göra den fri från kärnans bindning. Efter att elektronen är fri från kärnans bindning, kommer den att fortsätta att arbeta på den, och den kommer att accelerera i kraftens riktning för att bilda en elektrisk ström.
3 Metallledare under spänningsfördelning och elektrisk fältkraft
Om en spänning appliceras på båda ändarna av en metallledare för att bilda ett elektriskt spänningsfördelningsfält inuti ledaren, bör elektronerna i det yttre kärnskiktet inuti ledaren utsättas för spänningsfördelningens elektriska fältkraft när de rör sig runt kärnan, och den elektriska fältkraften gör positivt arbete på elektronerna. , För att öka den kinetiska energin hos elektronerna, och ha tillräckligt med energi för att övervinna kärnans bindning, och bli fria elektroner utanför kärnan. Eftersom endast de yttersta elektronerna i den yttre kärnan har den största energin, för att bilda fria elektroner, är det nödvändigt att övervinna kärngravitationen och göra det minsta arbetet, så Under normala omständigheter, när en spänning appliceras på båda ändarna av en ledare, kan bara de yttersta elektronerna lämna kärnan och bli fria elektroner. Den yttersta elektronen behöver göra det minsta arbetet för att bryta sig loss från kärnans bindning. De fria elektronerna efter att ha bildat en ström är faktiskt inte fria. Å ena sidan påverkas de av den elektriska fältkraften hos spänningsfördelningen och rörelse i den elektriska fältkraftens riktning. Å andra sidan är de inte obehindrade under rörelsen. För en mycket liten elektron kan utrymmet inuti och utanför atomen sägas vara ganska expansivt. Kärnan är som en stjärna i det kosmiska rymden, medan fria elektroner är som en liten meteor som flyger i det kosmiska rymden. Denna analogi är inte särskilt lämplig, eftersom Meteor som flyger i rymden kanske inte orsakar motstånd från andra objekt, men fria elektroner är föremål för motstånd. Detta beror på att utrymmet utanför kärnan inte är utan ingenting utan också kretsar kring de inre elektronerna, och dessa metaller Antalet inre elektroner är mycket mer än de yttersta elektronerna som bildar fria elektroner. Vi kan lika gärna kalla den barriär som bildas av dessa atomers inre elektroner som elektronmolngas. Elektronmolngasen är negativt laddad, och de fria elektronerna är också negativt laddade. Därför, om fria elektroner skjutsar in i elektronmolngasen för att bilda en elektrisk ström, är den skyldig att motstås av elektronmolngasen. Efter att den stabila strömmen har bildats, om spänningen i båda ändarna av ledaren plötsligt tas bort, försvinner det elektriska fältet inuti ledaren, och de fria elektronerna förlorar effekten av den elektriska fältkraften. Endast motstånd verkar på den, så elektronerna bromsar in och hastigheten minskar snabbt till noll. . Sedan, under inverkan av kärnans gravitationskraft, återgår den till motsvarande omloppsbana i kärnans yttre lager för att röra sig runt kärnan.
4 Ohms lag och motståndslag
I strömflödesprocessen, på grund av motståndet hos elektronmolngasen mot fria elektroner, bildar det ett visst hinder för strömflödet, vilket också producerar ledarens motstånd. Det måste noteras att motståndet för fria elektroner under rörelse inte är lika med ledarens motstånd. Resistansen hos fria elektroner betyder inte att ledarens resistans är stor. Omvänt är ledarens motstånd stort, vilket inte betyder att ledarens motstånd är stort. När man rör sig i riktning är motståndet stort.
5 Energiomvandling och Joules lag
När spänning precis appliceras på båda ändarna av ledaren, gör den elektriska fältkraften positivt arbete på kärnans yttersta elektroner för att övervinna kärnans bindningskraft, men det arbete som görs av den elektriska fältkraften som övervinner kärnans bindande kraft är mycket mindre än det arbete som det långvariga-molnets strömflöde gör för att övervinna motståndet i elektronen. Därför är arbetet som görs för att övervinna kärnans bondage mycket litet och kan ignoreras.
Under accelerationen av fria elektroner gör den elektriska fältkraften också positivt arbete med den, men eftersom elektronen har en mycket kort accelerationstid och rörelseförskjutningen är mycket liten (behandlas inte här), är den elektriska fältkraften också mycket liten och kan ignoreras. Därför, efter att de fria elektronerna bildar en ström, är den huvudsakliga energiförlusten av det elektriska fältet att övervinna elektronmolnet för att utföra arbete.
6 Den spänningssatta ledaren rör sig i ett magnetfält
I ovanstående analys, när strömmen passerar genom ledaren, övervinner den bara elektronmolngasen för att utföra arbete. Elektronmolngasens hinder för fria elektroner visas som motstånd, så en sådan ledare kallas för en ren motståndsledare, och en krets med bara en ren motståndsledare i kretsen kallas för en ren motståndskrets. Det kan ses från ovanstående formler att den rena motståndskretsen omvandlar elektriskt arbete till värmeenergi.
Den strömförande ledaren kommer emellertid att utsättas för kraften från magnetfältet (amperekraft) i magnetfältet. Under denna kraft börjar ledaren röra sig snabbare, skär de magnetiska induktionslinjerna, polariserar atomerna i ledaren och genererar en polariserad elektromotorisk kraft. Bildandet av terminalinducerad elektromotorisk kraft kommer att generera ett elektriskt fält i andra delar av den yttre ledaren och producera motstånd mot de fria elektronerna som strömmar igenom. För att övervinna motståndet genererar strömmen ett elektriskt spänningsfördelningsfält i samma riktning som strömmen i ledaren, vilket gör att det elektriska fältet och induktionen blir det elektriska fältet som genereras av den elektromotoriska kraften, vilket upprätthåller strömmens stabilitet, och genererar även en spänning i båda ändarna av ledaren. Storleken på spänningen är exakt densamma som den inducerade elektromotoriska kraften och riktningen är motsatt.
På detta sätt måste spänningsfördelningens elektriska fältkraft övervinna motståndet som genereras av den inducerade elektromotoriska kraften för att utföra arbete och förbruka elektrisk energi. Denna energi omvandlas till en amperekraft för att utföra arbete på omvärlden, vilket uppträder i form av mekanisk energi.
Om ledaren placerad i magnetfältet inte är en idealisk ledare, måste den elektriska fältkraften inte bara övervinna den inducerade elektromotoriska kraften för att utföra arbete utan också övervinna motståndet i elektronmolnet för att utföra arbete. Därför omvandlas en del av den elektriska energin till form av mekanisk energi, och en del av den omvandlas till värmeenergi.
7 Strömförsörjning efter strömflöde
Vad händer inuti strömförsörjningen efter att strömmen flyter? Eftersom icke-elektrostatisk kraft bara kan polarisera atomer och generera elektromotorisk kraft i strömförsörjningen, kan den icke-elektrostatiska kraften inte arbeta på elektroner, och den kan inte heller få yttre elektroner att övervinna bindningen av atomkärnor och bli fria elektroner, än mindre direkt rörelse av elektroner för att bilda en elektrisk ström. , Hur bildas då strömmen inuti nätaggregatet?
För att bilda en ström i strömförsörjningen, förutom att få de yttre elektronerna att övervinna kärnans bindning, är det också nödvändigt att övervinna elektronmolnets motstånd för att utföra arbete. Icke-elektrostatik har ingen sådan funktion. Därför måste en spänningsfördelning från strömförsörjningens negativa pol till den positiva polen genereras i strömförsörjningen. I det elektriska fältet bildar det yttre lagret av elektroner en ström under inverkan av denna elektriska fältkraft och genererar ett spänningsfall inuti strömförsörjningen. Spänningsfallet är högre än den positiva elektrodpotentialen, det vill säga riktningen är från den negativa elektroden till den positiva elektroden, och riktningen för strömförsörjningens elektromotoriska kraft är motsatt.
