Mitä tulee metallijohtimien johtumiseen, klassinen johtumisteoria uskoo, että metallijohtimen sisällä on suuri määrä vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua vapaasti. Nämä vapaat elektronit liikkuvat suunnassa sähkökenttävoiman vaikutuksesta muodostaen sähkövirran.
1 Metalliatomien ytimenulkoinen elektroni
Kaikki atomit koostuvat ytimestä ja ytimen ympärillä liikkuvista ytimen ulkopuolisista elektroneista. Ytimen ulkopuolella olevien elektronien liikkumiseen tarvittavan keskivoiman saa aikaan Coulombin sähkökenttävoima ytimen ja elektronien välillä. Lukuisat ytimen ulkopuoliset elektronit ovat eri etäisyyksillä ytimestä ytimen ulkopuolella. Lähimpänä ydintä olevalla elektronilla on suurin voima ja elektronin kokonaisenergia on pienin. Ytimestä kauimpana olevalla uloimmalla elektronilla on pienin sidosvoima ytimeen, elektronin potentiaalienergia on suurin ja kokonaisenergia suurin. . Koska uloin elektroni on vähiten sidottu, viereiset atomit häiritsevät sitä usein ja liikkuvat viereisten ytimien ympäri. Metalliatomit yhdistetään metallirunkoon perustuen voimaan, joka muodostuu keskinäisen käämityksen liikkeestä elektronien ulkokerroksen interferenssin jälkeen. Erittäin pienestä sitomisvoimasta johtuen metallilla on pehmeys ja helppo muodonmuutos kuumennettaessa.
2 Metallijohdin Lorentzin voiman (tai indusoidun sähkökentän voiman) vaikutuksesta
Jos metallijohdin katkaisee magneettisen induktiolinjan magneettikentässä, johtimen sisällä olevat ytimen ulkopuolella olevat elektronit altistuvat Lorentz-voimalle, ja atomit polarisoituvat tämän vaikutuksen alaisena, mikä johtaa atomin polarisaatiosähkömotoriseen voimaan. Mutta riippumatta siitä, kuinka suuri Lorentzin voima on, se ei voi tehdä työtä elektronille, lisätä elektronin kineettistä energiaa ja vapauttaa sitä ytimen sidoksesta. Kun elektroni on vapaa ytimen sidoksesta, se jatkaa työskentelyä sen parissa ja se kiihtyy voiman suuntaan muodostaen sähkövirran.
3 Metallijohtimet jännitteen jakautumisen ja sähkökentän voiman alaisena
Jos metallijohtimen molempiin päihin kohdistetaan jännite jännitteenjaon sähkökentän muodostamiseksi johtimen sisällä, johtimen sisällä olevan ulomman ydinkerroksen elektroneihin tulee kohdistua jännitteenjaon sähkökenttävoima, kun ne liikkuvat ytimen ympäri, ja sähkökenttävoima tekee positiivista työtä elektroneille. , Kasvata elektronien kineettistä energiaa ja saada tarpeeksi energiaa voittamaan ytimen siteet ja tulla vapaiksi elektroneiksi ytimen ulkopuolella. Koska vain uloimman ytimen uloimmilla elektroneilla on suurin energia, vapaiden elektronien muodostamiseksi on välttämätöntä voittaa ydinpainovoima ja tehdä vähiten työtä, joten normaaleissa olosuhteissa, kun jännite syötetään johtimen molempiin päihin, vain uloimmat elektronit voivat poistua ytimestä ja tulla vapaiksi elektroneiksi. Uloimman elektronin on tehtävä vähiten työtä päästäkseen irti ytimen siteestä. Vapaat elektronit virran muodostamisen jälkeen eivät itse asiassa ole vapaita. Toisaalta niihin vaikuttaa jännitteen jakautumisen sähkökenttävoima ja liike sähkökenttävoiman suunnassa. Toisaalta ne eivät ole esteettömät liikkeen aikana. Hyvin pienelle elektronille atomin sisällä ja ulkopuolella olevan tilan voidaan sanoa olevan melko laaja. Ydin on kuin tähti kosmisessa avaruudessa, kun taas vapaat elektronit ovat kuin pieni meteori, joka lensi kosmisessa avaruudessa. Tämä analogia ei ole kovin sopiva, koska avaruudessa lentävät meteorit eivät välttämättä aiheuta vastustusta muilta esineiltä, mutta vapaat elektronit ovat vastustuksen kohteena. Tämä johtuu siitä, että ytimen ulkopuolella oleva tila ei ole vailla, vaan myös kiertää sisäisiä elektroneja ja näitä metalleja Sisäisten elektronien lukumäärä on paljon enemmän kuin uloimpia elektroneja, jotka muodostavat vapaita elektroneja. Voisimme yhtä hyvin kutsua näiden atomien sisäisten elektronien muodostamaa estettä elektronipilvikaasuksi. Elektronipilvikaasu on negatiivisesti varautunut, ja myös vapaat elektronit ovat negatiivisesti varautuneita. Siksi, jos vapaat elektronit kulkevat elektronipilvikaasussa muodostaen sähkövirran, elektronipilvikaasu vastustaa sitä. Kun stabiili virta on muodostunut, jos jännite johtimen molemmista päistä yhtäkkiä poistetaan, johtimen sisällä oleva sähkökenttä katoaa ja vapaat elektronit menettävät sähkökenttävoiman vaikutuksen. Siihen vaikuttaa vain vastus, joten elektronit hidastuvat ja nopeus laskee nopeasti nollaan. . Sitten se palaa ytimen painovoiman vaikutuksesta vastaavalle ytimen ulkokerroksen kiertoradalle liikkumaan ytimen ympäri.
4 Ohmin laki ja vastuslaki
Virran kulkuprosessissa, koska elektronipilvikaasu vastustaa vapaita elektroneja, se muodostaa tietyn esteen virran virtaukselle, mikä myös tuottaa johtimen vastuksen. On huomattava, että vapaiden elektronien vastus liikkeen aikana ei ole sama kuin johtimen vastus. Vapaiden elektronien resistanssi ei tarkoita, että johtimen resistanssi olisi suuri. Sitä vastoin johtimen resistanssi on suuri, mikä ei tarkoita, että johtimen resistanssi olisi suuri. Suuntasuuntaan ajettaessa vastus on suuri.
5 Energian muuntaminen ja Joulen laki
Kun jännite kohdistetaan vain johtimen molempiin päihin, sähkökenttävoima tekee positiivista työtä ytimen uloimmille elektroneille voittaakseen ytimen sitomisvoiman, mutta sähkökenttävoiman työ, joka voittaa ytimen sitomisvoiman, on paljon pienempi kuin työ, jonka tekee pitkäaikainen{0}}virtavirta elektronipilven vastuksen voittamiseksi. Siksi ytimen siteen voittamiseksi tehty työ on hyvin pientä ja se voidaan jättää huomiotta.
Vapaiden elektronien kiihtyessä myös sähkökenttävoima tekee sille positiivista työtä, mutta koska elektronilla on hyvin lyhyt kiihtyvyysaika ja liikkeen siirtymä on hyvin pieni (ei käsitellä tässä), sähkökenttävoima on myös hyvin pieni ja voidaan jättää huomiotta. Siksi sen jälkeen, kun vapaat elektronit muodostavat virran, sähkökentän pääasiallinen energiahäviö on elektronipilven voittaminen tehdäkseen työtä.
6 Syötetty johdin liikkuu magneettikentässä
Yllä olevassa analyysissä, kun virta kulkee johtimen läpi, se vain voittaa elektronipilvikaasun tehdäkseen työtä. Elektronipilvikaasun este vapaille elektroneille on esitetty vastuksena, joten tällaista johtimia kutsutaan puhtaaksi vastusjohtimeksi ja piiriä, jossa on vain puhdas vastusjohdin, kutsutaan puhtaaksi vastuspiiriksi. Yllä olevista kaavoista voidaan nähdä, että puhdas vastuspiiri muuttaa sähkötyön lämpöenergiaksi.
Kuitenkin jännitteiseen johtimeen kohdistuu magneettikentän voima (ampeerivoima) magneettikentässä. Tämän voiman alaisena johdin alkaa liikkua nopeammin, katkaisee magneettiset induktiolinjat, polarisoi johtimessa olevat atomit ja synnyttää polarisoidun sähkömotorisen voiman. Terminaalin aiheuttaman sähkömotorisen voiman muodostuminen synnyttää sähkökentän ulkojohtimen muihin osiin ja tuottaa vastuksen läpi virtaaville vapaille elektroneille. Resistanssin voittamiseksi virta muodostaa samaan suuntaan kuin johtimessa oleva jännitejakauma sähkökenttä, jolloin sähkökenttä ja induktio Sähkömotorisen voiman synnyttämä sähkökenttä kumoutuu, mikä ylläpitää virran stabiilisuutta ja myös synnyttää jännitteen johtimen molempiin päihin. Jännitteen suuruus on täsmälleen sama kuin indusoitunut sähkömotorinen voima ja suunta on päinvastainen.
Tällä tavalla jännitteenjaon sähkökenttävoiman on voitettava indusoidun sähkömoottorivoiman synnyttämä vastus tehdäkseen työtä ja kuluttaakseen sähköenergiaa. Tämä energia muunnetaan ampeerivoimaksi tehdäkseen työtä ulkomaailmassa, mikä näkyy mekaanisena energiana.
Jos magneettikenttään asetettu johdin ei ole ihanteellinen johdin, sähkökenttävoiman ei tarvitse ainoastaan voittaa indusoitunut sähkömotorinen voima tehdäkseen työtä, vaan myös voitettava elektronipilven vastus tehdä työtä. Siksi osa sähköenergiasta muunnetaan mekaaniseksi energiaksi ja osa muunnetaan lämpöenergiaksi.
7 Virtalähde virran jälkeen
Mitä tapahtuu virtalähteen sisällä virran päätyttyä? Koska ei--sähköstaattinen voima voi vain polarisoida atomeja ja tuottaa sähkömoottoria virtalähteeseen, ei--sähköstaattinen voima ei voi vaikuttaa elektroneihin, eikä se voi saada ulkoisia elektroneja voittamaan atomiytimien siteitä ja muuttumaan vapaiksi elektroneiksi, puhumattakaan elektronien suorasta liikkeestä sähkövirran muodostamiseksi. , Miten virtalähteen sisällä oleva virta sitten muodostuu?
Virran muodostamiseksi virtalähteeseen sen lisäksi, että ulommat elektronit saatetaan voittamaan ytimen siteet, on myös tarpeen voittaa elektronipilven vastus työn suorittamiseksi. Ei--sähköstaattisilla tuotteilla ei ole tällaista toimintoa. Siksi teholähteessä on muodostettava jännitejakauma teholähteen negatiivisesta navasta positiiviseen napaan. Sähkökentässä elektronien ulkokerros muodostaa virran tämän sähkökenttävoiman vaikutuksesta ja synnyttää jännitehäviön virtalähteen sisällä. Jännitteen pudotus on suurempi kuin positiivisen elektrodin potentiaali, eli suunta on negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille ja virtalähteen sähkömotorisen voiman suunta on päinvastainen.
