Что касается проводимости металлических проводников, классическая теория проводимости полагает, что существует большое количество свободных электронов, которые могут свободно перемещаться внутри металлического проводника. Эти свободные электроны движутся направленно под действием силы электрического поля, образуя электрический ток.
1 Внеядерный электрон атомов металла
Все атомы состоят из ядра и внеядерных электронов, движущихся вокруг ядра. Центростремительная сила, необходимая для движения электронов вне ядра, обеспечивается силой кулоновского электрического поля между ядром и электронами. Многочисленные внеядерные электроны находятся на разных расстояниях от ядра вне ядра. Электрон, ближайший к ядру, обладает наибольшей силой, а полная энергия электрона наименьшая. Самый дальний от ядра электрон имеет наименьшую силу связи с ядром, потенциальная энергия электрона самая большая, а полная энергия самая большая. . . Поскольку самый внешний электрон наименее связан, ему часто мешают соседние атомы, и он движется вокруг соседних ядер. Атомы металла объединяются в металлическое тело на основе силы, образующейся в результате взаимного намоточного движения после интерференции внешнего слоя электронов. Благодаря очень небольшой силе связывания металл обладает характеристиками мягкости и легкой деформации при нагревании.
2 Металлический проводник под действием силы Лоренца (или силы наведенного электрического поля)
Если металлический проводник перерезает магнитную линию индукции в магнитном поле, электроны вне сердечника внутри проводника будут подвергаться действию силы Лоренца, и под этим действием атомы будут поляризоваться, что приведет к возникновению электродвижущей силы атомной поляризации. Но как бы ни была велика сила Лоренца, она не может совершить работу над электроном, увеличить кинетическую энергию электрона и освободить его от связи ядра. После того как электрон освободится от связи ядра, он продолжит работать над ним и будет ускоряться в направлении действия силы, образуя электрический ток.
3 Металлические проводники под напряжением и силой электрического поля
Если к обоим концам металлического проводника приложено напряжение для формирования электрического поля распределения напряжения внутри проводника, электроны во внешнем ядерном слое внутри проводника должны подвергаться силе электрического поля распределения напряжения, когда они движутся вокруг ядра, и сила электрического поля совершает положительную работу над электронами. , Чтобы увеличить кинетическую энергию электронов и иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть связи ядра и стать свободными электронами вне ядра. Поскольку только самые внешние электроны во внешнем ядре обладают наибольшей энергией, для образования свободных электронов необходимо преодолеть ядерную гравитацию и совершить наименьшую работу. При нормальных обстоятельствах, когда напряжение прикладывается к обоим концам проводника, только самые внешние электроны могут покинуть ядро и стать свободными электронами. Крайнему электрону нужно совершить наименьшую работу, чтобы вырваться из оков ядра. Свободные электроны после образования тока на самом деле не являются свободными. С одной стороны, на них действует сила электрического поля распределения напряжения и движения в направлении силы электрического поля. С другой стороны, они не беспрепятственны во время движения. Можно сказать, что для очень маленького электрона пространство внутри и снаружи атома весьма обширно. Ядро похоже на звезду в космическом пространстве, а свободные электроны подобны маленькому метеору, летящему в космическом пространстве. Эта аналогия не очень уместна, поскольку летящий в космосе Метеор может и не вызывать сопротивления со стороны других объектов, а вот свободные электроны подвержены сопротивлению. Это потому, что пространство вне ядра не лишено ничего, но также вращается вокруг внутренних электронов и этих металлов. Число внутренних электронов намного больше, чем крайних электронов, которые образуют свободные электроны. С таким же успехом мы могли бы назвать барьер, образованный внутренними электронами этих атомов, газом электронного облака. Газ электронного облака заряжен отрицательно, и свободные электроны также заряжены отрицательно. Следовательно, если свободные электроны перемещаются в газе электронного облака с образованием электрического тока, газ электронного облака обязательно встретит сопротивление. Если после образования стабильного тока внезапно снять напряжение на обоих концах проводника, электрическое поле внутри проводника исчезает, а свободные электроны теряют действие силы электрического поля. На него действует только сопротивление, поэтому электроны замедляются и скорость быстро уменьшается до нуля. . Затем под действием гравитационной силы ядра он возвращается на соответствующую орбиту внешнего слоя ядра для движения вокруг ядра.
4 Закон Ома и закон сопротивления
В процессе протекания тока из-за сопротивления газа электронного облака свободным электронам он образует определенное препятствие протеканию тока, что и создает сопротивление проводника. Необходимо отметить, что сопротивление свободных электронов при движении не равно сопротивлению проводника. Сопротивление свободных электронов не означает, что сопротивление проводника велико. И наоборот, сопротивление проводника велико, что не означает, что сопротивление проводника велико. При движении в направленном направлении сопротивление велико.
5 Преобразование энергии и закон Джоуля
Когда напряжение прикладывается к обоим концам проводника, сила электрического поля совершает положительную работу над крайними электронами ядра, преодолевая силу связи ядра, но работа, совершаемая силой электрического поля, преодолевающей силу связи ядра, намного меньше, чем работа, совершаемая долговременным -током для преодоления сопротивления электронного облака. Поэтому работа, совершаемая по преодолению связанности ядра, очень мала и ею можно пренебречь.
При ускорении свободного электрона сила электрического поля также совершает с ним положительную работу, но поскольку электрон имеет очень короткое время ускорения и смещение движения очень мало (здесь не обсуждается), сила электрического поля также очень мала и ею можно пренебречь. Поэтому после того, как свободные электроны образуют ток, основные потери энергии электрического поля приходится на преодоление электронного облака для совершения работы.
6 Проводник под напряжением движется в магнитном поле
В приведенном выше анализе, когда ток проходит через проводник, он только преодолевает газ электронного облака, совершая работу. Препятствие газа электронного облака свободным электронам отображается как сопротивление, поэтому такой проводник называется проводником чистого сопротивления, а цепь, в которой присутствует только проводник чистого сопротивления, называется цепью чистого сопротивления. Из приведенных выше формул видно, что цепь чистого сопротивления преобразует электрическую работу в тепловую энергию.
Однако проводник под напряжением будет подвергаться действию силы магнитного поля (силы Ампера) в магнитном поле. Под действием этой силы проводник начинает двигаться быстрее, разрезая магнитные линии индукции, поляризуя атомы в проводнике и генерируя поляризованную электродвижущую силу. Формирование электродвижущей силы, индуцированной на терминале, будет генерировать электрическое поле в других частях внешнего проводника и создавать сопротивление протекающим через него свободным электронам. Чтобы преодолеть сопротивление, ток создает электрическое поле, распределяющее напряжение в том же направлении, что и ток в проводнике, создавая электрическое поле и индукцию. Электрическое поле, создаваемое электродвижущей силой, уравновешивается, тем самым поддерживая стабильность тока, а также генерирует напряжение на обоих концах проводника. Величина напряжения точно такая же, как и наведенная электродвижущая сила, а направление противоположно.
Таким образом, сила электрического поля распределения напряжения должна преодолевать сопротивление, создаваемое индуцированной электродвижущей силой, чтобы совершать работу и потреблять электрическую энергию. Эта энергия преобразуется в силу ампера для совершения работы над внешним миром, которая проявляется в виде механической энергии.
Если проводник, помещенный в магнитное поле, не является идеальным проводником, то сила электрического поля должна не только преодолеть наведенную электродвижущую силу, чтобы совершить работу, но и преодолеть сопротивление электронного облака, чтобы совершить работу. Поэтому часть электрической энергии преобразуется в форму механической энергии, а часть — в тепловую энергию.
7 Электропитание после протекания тока
Что происходит внутри блока питания после прохождения тока? Поскольку не-электростатическая сила может только поляризовать атомы и генерировать электродвижущую силу в источнике питания, не-электростатическая сила не может совершать работу над электронами, а также не может заставить внешние электроны преодолеть связи атомных ядер и стать свободными электронами, не говоря уже о прямом движении электронов для образования электрического тока. , тогда как формируется ток внутри блока питания?
Для формирования тока в источнике питания, помимо того, что внешние электроны преодолевают связи ядра, необходимо еще преодолеть сопротивление электронного облака для совершения работы. Не-электростатики не имеют такой функции. Следовательно, в источнике питания должно быть создано распределение напряжения от отрицательного полюса источника питания к положительному полюсу. В электрическом поле внешний слой электронов под действием этой силы электрического поля образует ток и генерирует падение напряжения внутри источника питания. Падение напряжения выше потенциала положительного электрода, то есть направление от отрицательного электрода к положительному, а направление электродвижущей силы источника питания противоположно.
