Per quanto riguarda la conduzione dei conduttori metallici, la teoria classica della conduzione ritiene che vi sia un gran numero di elettroni liberi che possono muoversi liberamente all'interno del conduttore metallico. Questi elettroni liberi si muovono direzionalmente sotto l'azione della forza del campo elettrico per formare una corrente elettrica.
1 Elettrone extranucleare di atomi metallici
Tutti gli atomi sono composti dal nucleo e dagli elettroni extranucleari che si muovono attorno al nucleo. La forza centripeta necessaria per il movimento degli elettroni all'esterno del nucleo è fornita dalla forza del campo elettrico di Coulomb tra il nucleo e gli elettroni. Numerosi elettroni extranucleari si trovano a diverse distanze dal nucleo all'esterno del nucleo. L'elettrone più vicino al nucleo ha la forza maggiore e l'energia totale dell'elettrone è la più bassa. L'elettrone più esterno più lontano dal nucleo ha la forza di legame minore da parte del nucleo, l'energia potenziale dell'elettrone è la più grande e l'energia totale è la più grande. . Poiché l'elettrone più esterno è quello meno legato, spesso subisce interferenze da parte degli atomi vicini e si muove attorno ai nuclei vicini. Gli atomi metallici si uniscono in un corpo metallico in base alla forza formata dal movimento di avvolgimento reciproco dopo l'interferenza dello strato esterno di elettroni. A causa della forza legante molto piccola, il metallo ha le caratteristiche di morbidezza e facile deformazione quando riscaldato.
2 Conduttore metallico sotto l'azione della forza di Lorentz (o del campo elettrico indotto)
Se un conduttore metallico taglia la linea di induzione magnetica in un campo magnetico, gli elettroni all'esterno del nucleo all'interno del conduttore saranno soggetti alla forza di Lorentz e gli atomi saranno polarizzati sotto questa azione, risultando in una forza elettromotrice di polarizzazione atomica. Ma non importa quanto sia grande la forza di Lorentz, non può fare lavoro sull'elettrone, aumentare l'energia cinetica dell'elettrone e liberarlo dal legame del nucleo. Dopo che l'elettrone si è liberato dal legame del nucleo, continuerà a lavorare su di esso e accelererà nella direzione della forza per formare una corrente elettrica.
3 Conduttori metallici sottoposti a distribuzione di tensione e campo elettrico
Se viene applicata una tensione a entrambe le estremità di un conduttore metallico per formare un campo elettrico di distribuzione della tensione all'interno del conduttore, gli elettroni nello strato nucleare esterno all'interno del conduttore dovrebbero essere soggetti alla forza del campo elettrico di distribuzione della tensione quando si muovono attorno al nucleo e la forza del campo elettrico esegue un lavoro positivo sugli elettroni. , Per aumentare l'energia cinetica degli elettroni e avere energia sufficiente per superare la schiavitù del nucleo e diventare elettroni liberi all'esterno del nucleo. Poiché solo gli elettroni più esterni nel nucleo esterno hanno l'energia maggiore, per formare elettroni liberi è necessario superare la gravità nucleare e compiere il minimo lavoro, quindi in circostanze normali, quando viene applicata una tensione a entrambe le estremità di un conduttore, solo gli elettroni più esterni possono lasciare il nucleo e diventare elettroni liberi. L'elettrone più esterno deve fare il minimo lavoro per liberarsi dalla schiavitù del nucleo. Gli elettroni liberi dopo aver formato una corrente in realtà non sono liberi. Da un lato sono influenzati dal campo elettrico della distribuzione della tensione e dal movimento nella direzione del campo elettrico. D'altra parte, non sono esenti da ostacoli durante il movimento. Per un elettrone molto piccolo, si può dire che lo spazio all'interno e all'esterno dell'atomo sia piuttosto ampio. Il nucleo è come una stella nello spazio cosmico, mentre gli elettroni liberi sono come una piccola meteora che vola nello spazio cosmico. Questa analogia non è molto appropriata, perché una meteora che vola nello spazio potrebbe non causare resistenza da altri oggetti, ma gli elettroni liberi sono soggetti a resistenza. Questo perché lo spazio esterno al nucleo non è privo di nulla ma orbita anche attorno agli elettroni interni, e questi metalli Il numero di elettroni interni è molto maggiore di quello degli elettroni più esterni che formano elettroni liberi. Potremmo anche chiamare la barriera formata dagli elettroni interni di questi atomi come gas della nube di elettroni. Il gas della nuvola di elettroni è carico negativamente e anche gli elettroni liberi sono caricati negativamente. Pertanto, se gli elettroni liberi si spostano nel gas della nube di elettroni per formare una corrente elettrica, è destinato a incontrare resistenza da parte del gas della nube di elettroni. Dopo che si è formata la corrente stabile, se la tensione su entrambe le estremità del conduttore viene improvvisamente rimossa, il campo elettrico all'interno del conduttore scompare e gli elettroni liberi perdono l'effetto della forza del campo elettrico. Su di esso agisce solo la resistenza, quindi gli elettroni decelerano e la velocità diminuisce rapidamente fino a zero. . Quindi, sotto l'azione della forza gravitazionale del nucleo, ritorna sull'orbita corrispondente dello strato esterno del nucleo per muoversi attorno al nucleo.
Legge di 4 Ohm e legge di resistenza
Nel corso del flusso di corrente, a causa della resistenza del gas della nuvola di elettroni agli elettroni liberi, si forma un certo ostacolo al flusso di corrente, che produce anche la resistenza del conduttore. Va notato che la resistenza degli elettroni liberi durante il movimento non è uguale alla resistenza del conduttore. La resistenza degli elettroni liberi non significa che la resistenza del conduttore sia grande. Al contrario, la resistenza del conduttore è elevata, il che non significa che la resistenza del conduttore sia elevata. Quando ci si sposta in una direzione direzionale, la resistenza è elevata.
5 Conversione dell'energia e legge di Joule
Quando la tensione viene applicata a entrambe le estremità del conduttore, la forza del campo elettrico esegue un lavoro positivo sugli elettroni più esterni del nucleo per superare la forza di legame del nucleo, ma il lavoro svolto dalla forza del campo elettrico per superare la forza di legame del nucleo è molto inferiore al lavoro svolto dal flusso di corrente a lungo termine per superare la resistenza della nuvola di elettroni. Pertanto, il lavoro svolto per superare la schiavitù del nucleo è molto piccolo e può essere ignorato.
Durante l'accelerazione degli elettroni liberi, anche la forza del campo elettrico svolge un lavoro positivo, ma poiché l'elettrone ha un tempo di accelerazione molto breve e lo spostamento del movimento è molto piccolo (non discusso qui), anche la forza del campo elettrico è molto piccola e può essere ignorata. Pertanto, dopo che gli elettroni liberi formano una corrente, la principale perdita di energia del campo elettrico è quella di superare la nuvola di elettroni per compiere lavoro.
6 Il conduttore eccitato si muove in un campo magnetico
Nell'analisi di cui sopra, quando la corrente passa attraverso il conduttore, supera solo il gas della nuvola di elettroni per compiere lavoro. L'ostacolo del gas della nuvola di elettroni agli elettroni liberi è mostrato come resistenza, quindi un tale conduttore è chiamato un conduttore a resistenza pura, e un circuito con solo un conduttore a resistenza pura nel circuito è chiamato un circuito a resistenza pura. Dalle formule di cui sopra si può vedere che il circuito di pura resistenza converte il lavoro elettrico in energia termica.
Tuttavia, il conduttore energizzato sarà soggetto alla forza del campo magnetico (forza amperometrica) nel campo magnetico. Sotto questa forza, il conduttore inizia a muoversi più velocemente, tagliando le linee magnetiche di induzione, polarizzando gli atomi nel conduttore e generando una forza elettromotrice polarizzata. La formazione della forza elettromotrice indotta al terminale genererà un campo elettrico in altre parti del conduttore esterno e produrrà resistenza al flusso degli elettroni liberi. Per vincere la resistenza, la corrente genera un campo elettrico di distribuzione della tensione nella stessa direzione della corrente nel conduttore, creando il campo elettrico e l'induzione. Il campo elettrico generato dalla forza elettromotrice si annulla, mantenendo così la stabilità della corrente, e genera inoltre una tensione ad entrambe le estremità del conduttore. L'entità della tensione è esattamente la stessa della forza elettromotrice indotta e la direzione è opposta.
In questo modo, la forza del campo elettrico di distribuzione della tensione deve superare la resistenza generata dalla forza elettromotrice indotta per compiere lavoro e consumare energia elettrica. Questa energia viene convertita in ampere-forza per svolgere un lavoro sul mondo esterno, che appare sotto forma di energia meccanica.
Se il conduttore posto nel campo magnetico non è un conduttore ideale, allora la forza del campo elettrico non deve solo superare la forza elettromotrice indotta per compiere lavoro, ma anche superare la resistenza della nuvola di elettroni per compiere lavoro. Pertanto, parte dell'energia elettrica viene convertita sotto forma di energia meccanica e parte di essa viene convertita in energia termica.
7 Alimentazione dopo il flusso di corrente
Cosa succede all'interno dell'alimentatore dopo che passa la corrente? Poiché la forza non-elettrostatica può solo polarizzare gli atomi e generare forza elettromotrice nell'alimentatore, la forza non-elettrostatica non può eseguire lavoro sugli elettroni, né può far sì che gli elettroni esterni superino il legame dei nuclei atomici e diventino elettroni liberi, per non parlare del movimento diretto degli elettroni per formare una corrente elettrica. , Allora come si forma la corrente all'interno dell'alimentatore?
Per formare una corrente nell'alimentatore, oltre a far sì che gli elettroni esterni superino il legame del nucleo, è necessario anche vincere la resistenza della nuvola di elettroni per compiere lavoro. I prodotti non-elettrostatici non hanno tale funzione. Pertanto nell'alimentatore deve essere generata una distribuzione della tensione dal polo negativo dell'alimentatore al polo positivo. Nel campo elettrico, lo strato esterno di elettroni forma una corrente sotto l'azione di questa forza del campo elettrico e genera una caduta di tensione all'interno dell'alimentatore. La caduta di tensione è superiore al potenziale dell'elettrodo positivo, ovvero la direzione va dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo e la direzione della forza elettromotrice dell'alimentatore è opposta.
