Što se tiče vodljivosti metalnih vodiča, klasična teorija vodljivosti smatra da postoji veliki broj slobodnih elektrona koji se mogu slobodno kretati unutar metalnog vodiča. Ovi slobodni elektroni kreću se usmjereno pod djelovanjem sile električnog polja i stvaraju električnu struju.
1 Ekstranuklearni elektron metalnih atoma
Svi atomi se sastoje od jezgre i ekstranuklearnih elektrona koji se kreću oko jezgre. Centripetalna sila potrebna za kretanje elektrona izvan jezgre stvara se silom Coulombovog električnog polja između jezgre i elektrona. Brojni ekstranuklearni elektroni nalaze se na različitim udaljenostima od jezgre izvan jezgre. Najveću silu ima elektron najbliži jezgri, a ukupna energija elektrona je najmanja. Najudaljeniji elektron koji je najudaljeniji od jezgre ima najmanju silu vezanja jezgre, potencijalna energija elektrona je najveća, a ukupna energija je najveća. . Budući da je najudaljeniji elektron najmanje vezan, često ga ometaju susjedni atomi i kreće se oko susjednih jezgri. Atomi metala spojeni su u metalno tijelo na temelju sile nastale međusobnim namotanim gibanjem nakon interferencije vanjskog sloja elektrona. Zbog vrlo male sile vezivanja, metal ima karakteristike mekoće i lakog deformiranja pri zagrijavanju.
2 Metalni vodič pod djelovanjem Lorentzove sile (ili sile induciranog električnog polja)
Ako metalni vodič presječe magnetsku liniju indukcije u magnetskom polju, elektroni izvan jezgre unutar vodiča bit će podvrgnuti Lorentzovoj sili, a atomi će biti polarizirani pod tim djelovanjem, što će rezultirati elektromotornom silom atomske polarizacije. No bez obzira na to koliko je velika Lorentzova sila, ona ne može izvršiti rad na elektronu, povećati kinetičku energiju elektrona i osloboditi ga veze jezgre. Nakon što se elektron oslobodi veze jezgre, on će nastaviti raditi na njoj, te će se ubrzati u smjeru sile i stvoriti električnu struju.
3 Metalni vodiči pod distribucijom napona i sile električnog polja
Ako se napon primijeni na oba kraja metalnog vodiča kako bi se formiralo električno polje raspodjele napona unutar vodiča, elektroni u vanjskom nuklearnom sloju unutar vodiča trebali bi biti podvrgnuti sili električnog polja raspodjele napona kada se kreću oko jezgre, a sila električnog polja vrši pozitivan rad na elektronima. , Povećati kinetičku energiju elektrona i imati dovoljno energije da prevladaju ropstvo jezgre i postanu slobodni elektroni izvan jezgre. Budući da samo najudaljeniji elektroni u vanjskoj jezgri imaju najveću energiju, da bi se formirali slobodni elektroni, potrebno je nadvladati nuklearnu gravitaciju i obaviti najmanji rad, tako da U normalnim okolnostima, kada se napon primijeni na oba kraja vodiča, samo najudaljeniji elektroni mogu napustiti jezgru i postati slobodni elektroni. Najudaljeniji elektron mora obaviti najmanje rada da bi se otrgnuo od okova jezgre. Slobodni elektroni nakon stvaranja struje zapravo nisu slobodni. S jedne strane, na njih djeluje sila električnog polja raspodjele napona i kretanje u smjeru sile električnog polja. S druge strane, nisu nesmetani tijekom kretanja. Za vrlo malen elektron, prostor unutar i izvan atoma može se reći da je prilično velik. Jezgra je poput zvijezde u svemirskom prostoru, dok su slobodni elektroni poput malog meteora koji leti u svemirskom prostoru. Ova analogija nije baš prikladna, jer Meteor koji leti u svemiru možda neće uzrokovati otpor drugih tijela, ali slobodni elektroni su podložni otporu. To je zato što prostor izvan jezgre nije bez ičega, već također kruži oko unutarnjih elektrona, a ti metali. Broj unutarnjih elektrona mnogo je veći od broja najudaljenijih elektrona koji tvore slobodne elektrone. Barijeru formiranu od unutarnjih elektrona ovih atoma mogli bismo nazvati plinom oblaka elektrona. Plin elektronskog oblaka je negativno nabijen, a slobodni elektroni također su negativno nabijeni. Stoga, ako se slobodni elektroni kreću u plinu elektronskog oblaka i tvore električnu struju, plin elektronskog oblaka će joj se oduprijeti. Nakon što se stvori stabilna struja, ako napon na oba kraja vodiča naglo nestane, električno polje unutar vodiča nestaje, a slobodni elektroni gube učinak sile električnog polja. Na nju djeluje samo otpor pa se elektroni usporavaju i brzina brzo pada na nulu. . Zatim se pod djelovanjem gravitacijske sile jezgre vraća u odgovarajuću orbitu vanjskog sloja jezgre kako bi se kretala oko jezgre.
4 Ohmov zakon i zakon otpora
U procesu protoka struje, zbog otpora plina elektronskog oblaka slobodnim elektronima, on čini određenu prepreku protoku struje, što također proizvodi otpor vodiča. Treba napomenuti da otpor slobodnih elektrona tijekom kretanja nije jednak otporu vodiča. Otpor slobodnih elektrona ne znači da je otpor vodiča velik. Obrnuto, otpor vodiča je velik, što ne znači da je i otpor vodiča velik. Kod usmjerenog kretanja otpor je velik.
5 Pretvorba energije i Jouleov zakon
Kada se napon samo primijeni na oba kraja vodiča, sila električnog polja vrši pozitivan rad na najudaljenijim elektronima jezgre kako bi prevladala silu vezivanja jezgre, ali rad koji obavi sila električnog polja koja svladava silu vezivanja jezgre daleko je manji od rada koji izvrši dugotrajni-tok struje da bi se svladao otpor elektronskog oblaka. Stoga je rad učinjen na prevladavanju ropstva jezgre vrlo malen i može se zanemariti.
Tijekom akceleracije slobodnih elektrona, sila električnog polja također vrši pozitivan rad na elektronu, ali budući da elektron ima vrlo kratko vrijeme akceleracije i pomak kretanja je vrlo mali (ovdje se ne raspravlja), sila električnog polja je također vrlo mala i može se zanemariti. Stoga, nakon što slobodni elektroni formiraju struju, glavni gubitak energije električnog polja je prevladavanje oblaka elektrona radi obavljanja posla.
6 Vodič pod naponom giba se u magnetskom polju
U gornjoj analizi, kada struja prolazi kroz vodič, ona samo svladava plin oblaka elektrona da izvrši rad. Prepreka plina elektronskog oblaka slobodnim elektronima prikazuje se kao otpor, pa se takav vodič naziva čistim otpornim vodičem, a strujni krug u kojemu je samo čisti otporni vodič naziva se čistim otpornim vodičem. Iz gornjih formula se vidi da strujni krug čistog otpora pretvara električni rad u toplinsku energiju.
Međutim, vodič pod naponom bit će podvrgnut sili magnetskog polja (amperska sila) u magnetskom polju. Pod ovom silom, vodič se počinje kretati brže, prekidajući magnetske indukcijske linije, polarizirajući atome u vodiču i stvarajući polariziranu elektromotornu silu. Formiranje krajnje inducirane elektromotorne sile će generirati električno polje u drugim dijelovima vanjskog vodiča i stvoriti otpor slobodnim elektronima koji prolaze kroz njega. Kako bi prevladala otpor, struja stvara električno polje distribucije napona u istom smjeru kao i struja u vodiču, čineći električno polje i indukciju. Električno polje generirano elektromotornom silom se poništava, čime se održava stabilnost struje, a također stvara napon na oba kraja vodiča. Veličina napona je potpuno jednaka induciranoj elektromotornoj sili, a smjer je suprotan.
Na taj način sila električnog polja distribucije napona mora svladati otpor koji stvara inducirana elektromotorna sila kako bi izvršila rad i potrošila električnu energiju. Ta se energija pretvara u ampersku silu da izvrši rad na vanjski svijet, koji se pojavljuje u obliku mehaničke energije.
Ako vodič postavljen u magnetsko polje nije idealan vodič, tada sila električnog polja ne samo da mora nadvladati induciranu elektromotornu silu da bi izvršila rad, već i svladati otpor elektronskog oblaka da bi izvršila rad. Dakle, dio električne energije pretvara se u oblik mehaničke energije, a dio se pretvara u toplinsku energiju.
7 Napajanje nakon protoka struje
Što se događa unutar napajanja nakon što struja poteče? Budući da ne-elektrostatska sila može samo polarizirati atome i generirati elektromotornu silu u napajanju, ne-elektrostatska sila ne može raditi na elektronima, niti može natjerati vanjske elektrone da prevladaju ropstvo atomskih jezgri i postanu slobodni elektroni, a kamoli izravno kretanje elektrona da formiraju električnu struju. , Kako onda nastaje struja unutar izvora napajanja?
Da bi se stvorila struja u napajanju, osim što vanjski elektroni moraju prevladati ropstvo jezgre, također je potrebno svladati otpor elektronskog oblaka za obavljanje rada. Ne-elektrostatika nema takvu funkciju. Stoga se u napajanju mora generirati raspodjela napona od negativnog pola napajanja do pozitivnog pola. U električnom polju, vanjski sloj elektrona stvara struju pod djelovanjem te sile električnog polja i stvara pad napona unutar napajanja. Pad napona je veći od potencijala pozitivne elektrode, odnosno smjer je od negativne prema pozitivnoj elektrodi, a smjer elektromotorne sile izvora je suprotan.
