Metalljuhtide juhtivuse osas usub klassikaline juhtivuse teooria, et metalljuhi sees on suur hulk vabu elektrone, mis võivad vabalt liikuda. Need vabad elektronid liiguvad elektrivälja jõu toimel suunatult, moodustades elektrivoolu.
1 Metalli aatomite tuumaväline elektron
Kõik aatomid koosnevad tuumast ja tuuma ümber liikuvatest tuumavälistest elektronidest. Tsentripetaaljõu, mis on vajalik elektronide liikumiseks väljaspool tuuma, annab tuuma ja elektronide vaheline Coulombi elektrivälja jõud. Arvukad tuumavälised elektronid asuvad tuumast erineval kaugusel väljaspool tuuma. Tuumale lähimal elektronil on suurim jõud ja elektroni koguenergia on väikseim. Tuumast kaugemal asuval välimisel elektronil on tuuma poolt kõige väiksem sidumisjõud, elektroni potentsiaalne energia on suurim ja koguenergia suurim. . Kuna välimine elektron on kõige vähem seotud, häirivad teda sageli naaberaatomid ja see liigub naabertuumade ümber. Metalli aatomid ühendatakse metallkehaks, mis põhineb jõul, mis tekib vastastikusel mähise liikumisel pärast elektronide väliskihi interferentsi. Väga väikese sidumisjõu tõttu on metallil pehmuse ja kuumutamisel kergesti deformeeruvad omadused.
2 Metalljuht Lorentzi jõu (või indutseeritud elektrivälja jõu) toimel
Kui metalljuht lõikab magnetväljas läbi magnetilise induktsioonijoone, siis juhi sees olevad tuumast väljapoole jäävad elektronid allutatakse Lorentzi jõule ja aatomid polariseeritakse selle toime all, mille tulemuseks on aatomi polarisatsiooni elektromotoorjõud. Kuid hoolimata sellest, kui suur on Lorentzi jõud, ei suuda see elektroni tööd teha, elektroni kineetilist energiat suurendada ega vabastada seda tuuma sidemest. Pärast seda, kui elektron on tuuma sidemest vabanenud, jätkab see selle kallal töötamist ja see kiireneb jõu suunas, moodustades elektrivoolu.
3 Pingejaotuse ja elektrivälja jõu all olevad metalljuhid
Kui metalljuhi mõlemale otsale rakendatakse pinget, et tekitada juhi sees pingejaotuse elektriväli, peaksid juhi sees olevad välise tuumakihi elektronid tuuma ümber liikudes alluma pingejaotuse elektrivälja jõule ja elektrivälja jõud teeb elektronidele positiivset tööd. , Suurendada elektronide kineetilist energiat ja omada piisavalt energiat, et ületada tuuma sidemed ja saada vabadeks elektronideks väljaspool tuuma. Kuna ainult välimise tuuma kõige välimistel elektronidel on suurim energia, on vabade elektronide moodustamiseks vaja ületada tuumagravitatsioon ja teha kõige vähem tööd, nii et tavaolukorras, kui juhi mõlemale otsale rakendatakse pinget, saavad tuumast lahkuda ja vabadeks elektronideks saada ainult kõige välimised elektronid. Kõige välimine elektron peab tuuma sidemetest lahti murdmiseks tegema kõige vähem tööd. Vabad elektronid pärast voolu moodustumist ei ole tegelikult vabad. Ühelt poolt mõjutab neid pinge jaotuse elektrivälja jõud ja liikumine elektrivälja jõu suunas. Teisest küljest ei ole nad liikumise ajal takistusteta. Väga tillukese elektroni kohta võib öelda, et aatomi sees ja väljaspool olev ruum on üsna avar. Tuum on nagu täht kosmilises ruumis, vabad elektronid aga nagu väike kosmilises ruumis lendav meteoor. See analoogia ei ole väga kohane, sest kosmoses lendavad meteoorid ei pruugi tekitada teiste objektide vastupanu, kuid vabad elektronid alluvad takistusele. Seda seetõttu, et ruum väljaspool tuuma ei ole ilma milleta, vaid tiirleb ka ümber sisemiste elektronide ja nende metallide Sisemiste elektronide arv on palju suurem kui välimised elektronid, mis moodustavad vabu elektrone. Sama hästi võiksime nimetada nende aatomite sisemiste elektronide moodustatud barjääri elektronpilvegaasiks. Elektronipilvegaas on negatiivselt laetud ja ka vabad elektronid on negatiivselt laetud. Seega, kui vabad elektronid liiguvad elektronipilvegaasis elektrivoolu moodustamiseks, peab elektronpilvegaas sellele kindlasti vastu. Pärast stabiilse voolu moodustumist, kui pinge juhtme mõlemas otsas järsku eemaldatakse, kaob juhi sees olev elektriväli ja vabad elektronid kaotavad elektrivälja jõu mõju. Sellele mõjub ainult takistus, mistõttu elektronid aeglustuvad ja kiirus väheneb kiiresti nullini. . Seejärel pöördub see tuuma gravitatsioonijõu toimel tagasi tuuma väliskihi vastavale orbiidile, et ümber tuuma liikuda.
4 Ohmi seadus ja takistusseadus
Voolu liikumise käigus moodustab elektronpilvegaasi takistuse tõttu vabadele elektronidele teatud takistuse voolu liikumisele, mis tekitab ka juhi takistuse. Tuleb märkida, et vabade elektronide takistus liikumise ajal ei ole võrdne juhi takistusega. Vabade elektronide takistus ei tähenda, et juhi takistus on suur. Ja vastupidi, juhi takistus on suur, mis ei tähenda, et juhi takistus oleks suur. Suunatud suunas liikudes on takistus suur.
5 Energia muundamine ja Joule'i seadus
Kui juhi mõlemale otsale rakendatakse pinget, teeb elektrivälja jõud positiivset tööd tuuma kõige välimistele elektronidele, et ületada tuuma sidumisjõud, kuid elektrivälja jõu töö, mis ületab tuuma sidumisjõu, on palju väiksem kui töö, mida teeb pikaajaline{0}}vooluvool elektroni pilve takistuse ületamiseks. Seetõttu on tuuma sideme ületamiseks tehtav töö väga väike ja seda võib ignoreerida.
Vabade elektronide kiirendamisel teeb sellele positiivset tööd ka elektrivälja jõud, kuid kuna elektronil on väga lühike kiirendusaeg ja liikumise nihe on väga väike (siin ei käsitleta), siis on ka elektrivälja jõud väga väike ja seda võib ignoreerida. Seetõttu on pärast vabade elektronide voolu moodustumist elektrivälja peamine energiakadu elektronpilve ületamine töö tegemiseks.
6 Pingestatud juht liigub magnetväljas
Ülaltoodud analüüsis ületab vool juhti läbides ainult elektronpilvegaasi, et teha tööd. Elektronipilvegaasi takistus vabadele elektronidele on näidatud takistusena, seega nimetatakse sellist juhti puhtaks takistusjuhiks ja vooluringi, mille ahelas on ainult puhas takistusjuht, nimetatakse puhta takistuse ahelaks. Ülaltoodud valemitest on näha, et puhastakistusahel muudab elektritöö soojusenergiaks.
Kuid pingestatud juht allub magnetväljas oleva magnetvälja jõule (amprijõule). Selle jõu mõjul hakkab juht kiiremini liikuma, lõigates magnetilisi induktsioonijooni, polariseerides juhis olevaid aatomeid ja tekitades polariseeritud elektromotoorjõu. Terminali indutseeritud elektromotoorjõu moodustumine tekitab välisjuhi teistes osades elektrivälja ja tekitab takistuse läbivatele vabadele elektronidele. Takistuse ületamiseks tekitab vool juhis oleva vooluga samas suunas pingejaotuse elektrivälja, tekitades elektrivälja ja induktsiooni Elektromotoorjõu tekitatud elektriväli kustub, säilitades nii voolu stabiilsuse, samuti tekitab juhtme mõlemas otsas pinge. Pinge suurus on täpselt sama suur kui indutseeritud elektromotoorjõud ja suund on vastupidine.
Nii peab pingejaotuse elektrivälja jõud töö tegemiseks ja elektrienergia tarbimiseks ületama indutseeritud elektromotoorjõu tekitatud takistuse. See energia muudetakse välismaailmaga töö tegemiseks amprijõuks, mis ilmneb mehaanilise energia kujul.
Kui magnetvälja asetatud juht ei ole ideaalne juht, siis peab elektrivälja jõud mitte ainult ületama indutseeritud elektromotoorjõudu töö tegemiseks, vaid ületama ka elektronipilve takistuse töö tegemiseks. Seetõttu muundatakse osa elektrienergiast mehaaniliseks energiaks ja osa soojusenergiaks.
7 Toide pärast voolu
Mis juhtub toiteallika sees pärast voolu voolamist? Kuna mitte-elektrostaatiline jõud saab polariseerida ainult aatomeid ja genereerida toiteallikas elektromotoorjõudu, ei saa mitte-elektrostaatiline jõud elektronidele tööd teha ega panna väliselektrone ületama aatomituumade sidemeid ega muutuma vabadeks elektronideks, rääkimata elektronide otsesest liikumisest elektrivoolu moodustamiseks. , Kuidas siis moodustub toiteallikas olev vool?
Voolu moodustamiseks toiteallikas on lisaks väliste elektronide tuuma sideme ületamiseks vaja ületada ka elektronipilve takistus töö tegemiseks. Mitte--elektrostaatilistel seadmetel pole sellist funktsiooni. Seetõttu tuleb toiteallikas tekitada pingejaotus toiteallika negatiivselt pooluselt positiivsele poolusele. Elektriväljas moodustab elektronide välimine kiht selle elektrivälja jõu toimel voolu ja tekitab toiteallika sees pingelanguse. Pingelangus on suurem kui positiivse elektroodi potentsiaal, see tähendab, et suund on negatiivselt elektroodilt positiivsele elektroodile ja toiteallika elektromotoorjõu suund on vastupidine.
