A fémvezetők vezetésével kapcsolatban a klasszikus vezetéselmélet úgy véli, hogy nagyszámú szabad elektron van, amely szabadon mozoghat a fémvezető belsejében. Ezek a szabad elektronok az elektromos térerő hatására irányítottan mozognak, és elektromos áramot képeznek.
1 Fématomok magon kívüli elektronja
Minden atom az atommagból és az atommag körül mozgó extranukleáris elektronokból áll. Az elektronok magon kívüli mozgásához szükséges centripetális erőt az atommag és az elektronok közötti Coulomb elektromos térerő biztosítja. Számos extranukleáris elektron van különböző távolságra az atommagtól a magon kívül. Az atommaghoz legközelebb eső elektronnak van a legnagyobb ereje, és az elektron összenergiája a legkisebb. Az atommagtól legtávolabb lévő legkülső elektronnak van a legkisebb kötőereje az atommag által, az elektron potenciális energiája a legnagyobb, az összenergia pedig a legnagyobb. . Mivel a legkülső elektron kötődik a legkevésbé, ezért gyakran a szomszédos atomok zavarják, és a szomszédos atommagok körül mozog. A fématomok az elektronok külső rétegének interferenciája utáni kölcsönös tekercselési mozgásból származó erő alapján fémtestté egyesülnek. A nagyon kis kötőerő miatt a fém lágyság és melegítés közben könnyen deformálódik.
2 Fémvezető Lorentz-erő (vagy indukált elektromos térerő) hatására
Ha egy fémvezető elvágja a mágneses indukciós vonalat egy mágneses térben, akkor a vezető belsejében lévő magon kívüli elektronok Lorentz-erőnek lesznek kitéve, és az atomok polarizálódnak ennek hatására, ami atomi polarizációs elektromotoros erőt eredményez. De akármilyen nagy is a Lorentz-erő, nem képes munkát végezni az elektronon, megnövelni az elektron mozgási energiáját, és megszabadítani az atommag kötésétől. Miután az elektron megszabadul az atommag kötésétől, tovább dolgozik rajta, és az erő irányába gyorsulva elektromos áramot hoz létre.
3 Fémvezetők feszültségeloszlás és elektromos térerő hatására
Ha a fémvezető mindkét végére feszültséget kapcsolunk, hogy a vezető belsejében feszültségelosztó elektromos mezőt hozzon létre, akkor a vezető belsejében lévő külső magréteg elektronjait a feszültségeloszlási elektromos térerőnek kell kitenni, amikor az atommag körül mozognak, és az elektromos térerő pozitív munkát végez az elektronokon. , Növelje az elektronok mozgási energiáját, és elegendő energiával rendelkezzen ahhoz, hogy leküzdje az atommag kötöttségét, és szabad elektronokká váljon az atommagon kívül. Mivel a külső magban csak a legkülső elektronok rendelkeznek a legnagyobb energiával, szabad elektronok képzéséhez szükséges a nukleáris gravitáció leküzdése és a legkevesebb munka elvégzése, így Normális körülmények között, ha a vezető mindkét végére feszültséget kapcsolunk, csak a legkülső elektronok hagyhatják el az atommagot és válhatnak szabad elektronokká. A legkülső elektronnak kell a legkevesebb munkát végeznie, hogy kiszakadjon az atommag kötelékéből. Az áramképződés után a szabad elektronok valójában nem szabadok. Egyrészt hatással van rájuk a feszültségeloszlás elektromos térereje és az elektromos térerő irányába való mozgás. Másrészt a mozgás során sem akadálytalanok. Egy nagyon apró elektronról az atomon belüli és kívüli tér meglehetősen kiterjedtnek mondható. Az atommag olyan, mint egy csillag a kozmikus térben, míg a szabad elektronok olyanok, mint egy kis meteor, amely a kozmikus térben repül. Ez a hasonlat nem túl helyénvaló, mert az űrben repülő meteorok nem okozhatnak ellenállást más objektumokból, de a szabad elektronok ellenállásnak vannak kitéve. Az atommagon kívüli tér ugyanis nem mentes, hanem a belső elektronok körül is kering, és ezek a fémek A belső elektronok száma sokkal több, mint a szabad elektronokat alkotó legkülső elektronok száma. Az atomok belső elektronjai által alkotott gátat akár elektronfelhő gáznak is nevezhetjük. Az elektronfelhő gáz negatív töltésű, és a szabad elektronok is negatív töltésűek. Ezért, ha a szabad elektronok az elektronfelhő-gázban ingadozva elektromos áramot hoznak létre, akkor annak az elektronfelhő-gáz biztosan ellenáll. A stabil áram kialakulása után, ha a vezető mindkét végén hirtelen megszűnik a feszültség, a vezető belsejében lévő elektromos tér eltűnik, és a szabad elektronok elveszítik az elektromos térerő hatását. Csak az ellenállás hat rá, ezért az elektronok lelassulnak és a sebesség gyorsan nullára csökken. . Majd az atommag gravitációs erejének hatására visszatér az atommag külső rétegének megfelelő pályájára, hogy az atommag körül mozogjon.
4 Ohm törvénye és ellenállási törvénye
Az áramáramlás folyamatában az elektronfelhő-gáznak a szabad elektronokkal szembeni ellenállása miatt bizonyos akadályt képez az áram áramlásában, ami egyben a vezető ellenállását is létrehozza. Meg kell jegyezni, hogy a szabad elektronok ellenállása mozgás közben nem egyenlő a vezető ellenállásával. A szabad elektronok ellenállása nem jelenti azt, hogy a vezető ellenállása nagy. Ezzel szemben a vezető ellenállása nagy, ami nem jelenti azt, hogy a vezető ellenállása nagy. Irányos mozgásnál nagy az ellenállás.
5 Energiaátalakítás és Joule-törvény
Ha a vezető mindkét végére feszültséget kapcsolunk, az elektromos térerő pozitív munkát végez az atommag legkülső elektronjain, hogy legyőzze az atommag kötőerejét, de az elektromos térerő által az atommag kötőerejét legyőző munka sokkal kisebb, mint a hosszú távú{0}}áram az elektronfelhő ellenállásának leküzdésére. Ezért az atommag kötelékének leküzdésére végzett munka nagyon kicsi, és figyelmen kívül hagyható.
A szabad elektronok gyorsulása során az elektromos térerő is pozitív munkát végez vele, de mivel az elektronnak nagyon rövid a gyorsulási ideje és nagyon kicsi a mozgási elmozdulása (itt nem lesz szó), az elektromos térerő is nagyon kicsi, és figyelmen kívül hagyható. Ezért, miután a szabad elektronok áramot képeznek, az elektromos mező fő energiavesztesége az elektronfelhő leküzdése, hogy munkát végezzen.
6 A feszültség alatt álló vezető mágneses térben mozog
A fenti elemzésben, amikor az áram áthalad a vezetőn, csak az elektronfelhő-gázt győzi le, hogy munkát végezzen. Az elektronfelhő gáz akadályát a szabad elektronok előtt ellenállásként tüntettük fel, ezért az ilyen vezetőt tiszta ellenállású vezetőnek, az olyan áramkört pedig, amelynek az áramkörében csak tiszta ellenállású vezető van, tiszta ellenállású áramkörnek nevezzük. A fenti képletekből látható, hogy a tiszta ellenállás áramkör az elektromos munkát hőenergiává alakítja.
A feszültség alatt álló vezető azonban a mágneses térben lévő mágneses mező erejének (ampererő) lesz kitéve. Ezen erő hatására a vezető gyorsabban kezd mozogni, elvágja a mágneses indukciós vonalakat, polarizálja a vezetőben lévő atomokat, és polarizált elektromotoros erőt hoz létre. A terminálisan indukált elektromotoros erő kialakulása elektromos mezőt generál a külső vezető más részein, és ellenállást kelt az átáramló szabad elektronokkal szemben. Az ellenállás leküzdése érdekében az áram a vezetőben áramló árammal azonos irányú feszültségeloszlású elektromos teret hoz létre, létrehozva az elektromos teret és az indukciót. Az elektromotoros erő által keltett elektromos tér kioltódik, így megmarad az áram stabilitása, és a vezető mindkét végén feszültséget generál. A feszültség nagysága pontosan megegyezik az indukált elektromotoros erővel, és az irány ellentétes.
Ily módon a feszültségelosztó elektromos térerőnek le kell győznie az indukált elektromotoros erő által generált ellenállást a munka elvégzéséhez és az elektromos energia fogyasztásához. Ez az energia ampererővé alakul át, hogy munkát végezzen a külvilágon, ami mechanikai energia formájában jelenik meg.
Ha a mágneses térbe helyezett vezető nem ideális vezető, akkor az elektromos térerőnek nemcsak az indukált elektromotoros erőt kell legyőznie a munkavégzéshez, hanem az elektronfelhő munkavégzéshez szükséges ellenállását is. Ezért az elektromos energia egy része mechanikai energiává, egy része pedig hőenergiává alakul.
7 Áramellátás után
Mi történik a tápegységben, miután az áram folyik? Mivel a nem-elektrosztatikus erő csak az atomokat képes polarizálni, és elektromotoros erőt generálni a tápegységben, a nem-elektrosztatikus erő nem képes az elektronokon dolgozni, és nem képes arra sem, hogy a külső elektronok legyőzzék az atommagok kötelékét és szabad elektronokká váljanak, nem is beszélve az elektronok közvetlen mozgásáról elektromos áram létrehozására. , Akkor hogyan alakul ki az áram a tápegységen belül?
Ahhoz, hogy a tápegységben áram keletkezzen, amellett, hogy a külső elektronok leküzdjék az atommag kötelékét, az elektronfelhő ellenállását is le kell győzni a munka elvégzéséhez. A nem-elektrosztatikának nincs ilyen funkciója. Ezért a tápegység negatív pólusától a pozitív pólusig feszültségelosztást kell létrehozni a tápegységben. Az elektromos térben az elektronok külső rétege ennek az elektromos térerőnek a hatására áramot képez, és feszültségesést hoz létre a tápegységen belül. A feszültségesés nagyobb, mint a pozitív elektródpotenciál, vagyis az irány a negatív elektródától a pozitív elektródáig van, és a tápegység elektromotoros erejének iránya ellentétes.
