Em relação à condução de condutores metálicos, a teoria clássica da condução acredita que existe um grande número de elétrons livres que podem se mover livremente dentro do condutor metálico. Esses elétrons livres se movem direcionalmente sob a ação da força do campo elétrico para formar uma corrente elétrica.
1 elétron extranuclear de átomos metálicos
Todos os átomos são compostos pelo núcleo e pelos elétrons extranucleares que se movem ao redor do núcleo. A força centrípeta necessária para o movimento dos elétrons fora do núcleo é fornecida pela força do campo elétrico de Coulomb entre o núcleo e os elétrons. Numerosos elétrons extranucleares estão a distâncias diferentes do núcleo fora do núcleo. O elétron mais próximo do núcleo tem a maior força e a energia total do elétron é a mais baixa. O elétron mais externo mais distante do núcleo tem a menor força de ligação pelo núcleo, a energia potencial do elétron é a maior e a energia total é a maior. . Como o elétron mais externo é o menos ligado, ele frequentemente sofre interferência de átomos vizinhos e se move em torno dos núcleos vizinhos. Os átomos metálicos são combinados em um corpo metálico com base na força formada pelo movimento de enrolamento mútuo após a interferência da camada externa de elétrons. Devido à força de ligação muito pequena, o metal possui características de maciez e fácil deformação quando aquecido.
2 Condutor metálico sob a ação da força de Lorentz (ou força de campo elétrico induzido)
Se um condutor metálico corta a linha magnética de indução em um campo magnético, os elétrons fora do núcleo dentro do condutor serão submetidos à força de Lorentz, e os átomos serão polarizados sob esta ação, resultando em uma força eletromotriz de polarização atômica. Mas não importa quão grande seja a força de Lorentz, ela não pode realizar trabalho sobre o eletrão, aumentar a energia cinética do eletrão e libertá-lo da ligação do núcleo. Depois que o elétron estiver livre da ligação do núcleo, ele continuará trabalhando nele e acelerará na direção da força para formar uma corrente elétrica.
3 Condutores metálicos sob distribuição de tensão e força de campo elétrico
Se uma tensão for aplicada a ambas as extremidades de um condutor metálico para formar um campo elétrico de distribuição de tensão dentro do condutor, os elétrons na camada nuclear externa dentro do condutor devem ser submetidos à força do campo elétrico de distribuição de tensão quando se movem ao redor do núcleo, e a força do campo elétrico realiza trabalho positivo sobre os elétrons. , Para aumentar a energia cinética dos elétrons e ter energia suficiente para superar a ligação do núcleo e se tornarem elétrons livres fora do núcleo. Como apenas os elétrons mais externos no núcleo externo têm a maior energia, para formar elétrons livres, é necessário superar a gravidade nuclear e realizar o mínimo de trabalho. Em circunstâncias normais, quando uma voltagem é aplicada a ambas as extremidades de um condutor, apenas os elétrons mais externos podem deixar o núcleo e se tornarem elétrons livres. O elétron mais externo precisa realizar menos trabalho para se libertar da ligação do núcleo. Os elétrons livres após formar uma corrente não são, na verdade, livres. Por um lado, eles são afetados pela força do campo elétrico da distribuição de tensão e pelo movimento na direção da força do campo elétrico. Por outro lado, eles não ficam desimpedidos durante o movimento. Para um elétron muito pequeno, pode-se dizer que o espaço dentro e fora do átomo é bastante expansivo. O núcleo é como uma estrela no espaço cósmico, enquanto os elétrons livres são como um pequeno meteoro voando no espaço cósmico. Esta analogia não é muito apropriada, porque um meteoro voando no espaço pode não causar resistência de outros objetos, mas os elétrons livres estão sujeitos à resistência. Isso ocorre porque o espaço fora do núcleo não é sem nada, mas também orbita os elétrons internos, e esses metais O número de elétrons internos é muito maior do que os elétrons mais externos que formam elétrons livres. Poderíamos também chamar a barreira formada pelos elétrons internos desses átomos de nuvem de elétrons gasosa. O gás da nuvem de elétrons tem carga negativa e os elétrons livres também têm carga negativa. Portanto, se elétrons livres se deslocarem no gás da nuvem de elétrons para formar uma corrente elétrica, ela será resistida pelo gás da nuvem de elétrons. Após a formação da corrente estável, se a tensão em ambas as extremidades do condutor for removida repentinamente, o campo elétrico dentro do condutor desaparecerá e os elétrons livres perderão o efeito da força do campo elétrico. Somente a resistência atua sobre ele, então os elétrons desaceleram e a velocidade diminui rapidamente para zero. . Então, sob a ação da força gravitacional do núcleo, ele retorna à órbita correspondente da camada externa do núcleo para se mover ao redor do núcleo.
Lei de 4 Ohm e lei de resistência
No processo de fluxo de corrente, devido à resistência do gás da nuvem de elétrons aos elétrons livres, forma um certo obstáculo ao fluxo de corrente, que também produz a resistência do condutor. Deve-se notar que a resistência dos elétrons livres durante o movimento não é igual à resistência do condutor. A resistência dos elétrons livres não significa que a resistência do condutor seja grande. Por outro lado, a resistência do condutor é grande, o que não significa que a resistência do condutor seja grande. Ao se mover na direção direcional, a resistência é grande.
5 Conversão de Energia e Lei de Joule
Quando a tensão é aplicada apenas em ambas as extremidades do condutor, a força do campo elétrico realiza um trabalho positivo nos elétrons mais externos do núcleo para superar a força de ligação do núcleo, mas o trabalho realizado pela força do campo elétrico que supera a força de ligação do núcleo é muito menor do que o trabalho realizado pelo fluxo de corrente de longo prazo para superar a resistência da nuvem de elétrons. Portanto, o trabalho realizado para superar a ligação do núcleo é muito pequeno e pode ser ignorado.
Durante a aceleração dos elétrons livres, a força do campo elétrico também realiza trabalho positivo sobre ele, mas como o elétron tem um tempo de aceleração muito curto e o deslocamento do movimento é muito pequeno (não discutido aqui), a força do campo elétrico também é muito pequena e pode ser ignorada. Portanto, depois que os elétrons livres formam uma corrente, a principal perda de energia do campo elétrico é superar a nuvem de elétrons para realizar o trabalho.
6 O condutor energizado se move em um campo magnético
Na análise acima, quando a corrente passa pelo condutor, ela apenas supera o gás da nuvem de elétrons para realizar trabalho. O obstáculo do gás da nuvem de elétrons aos elétrons livres é mostrado como resistência, portanto, tal condutor é chamado de condutor de resistência pura, e um circuito com apenas um condutor de resistência pura no circuito é chamado de circuito de resistência pura. Pode-se ver pelas fórmulas acima que o circuito de resistência pura converte trabalho elétrico em energia térmica.
Porém, o condutor energizado estará sujeito à força do campo magnético (força ampere) no campo magnético. Sob esta força, o condutor começa a se mover mais rápido, cortando as linhas magnéticas de indução, polarizando os átomos do condutor e gerando uma força eletromotriz polarizada. A formação de força eletromotriz induzida terminal gerará um campo elétrico em outras partes do condutor externo e produzirá resistência aos elétrons livres que fluem através dele. Para superar a resistência, a corrente gera um campo elétrico de distribuição de tensão na mesma direção da corrente no condutor, fazendo com que o campo elétrico e a indução. O campo elétrico gerado pela força eletromotriz se anule, mantendo assim a estabilidade da corrente, e também gera uma tensão em ambas as extremidades do condutor. A magnitude da tensão é exatamente igual à força eletromotriz induzida e a direção é oposta.
Desta forma, a força do campo elétrico de distribuição de tensão deve superar a resistência gerada pela força eletromotriz induzida para realizar trabalho e consumir energia elétrica. Essa energia é convertida em uma força ampere para realizar trabalho no mundo exterior, que aparece na forma de energia mecânica.
Se o condutor colocado no campo magnético não for um condutor ideal, então a força do campo elétrico deve não apenas superar a força eletromotriz induzida para realizar trabalho, mas também superar a resistência da nuvem de elétrons para realizar trabalho. Portanto, parte da energia elétrica é convertida em energia mecânica e parte dela em energia térmica.
7 Fonte de alimentação após fluxo de corrente
O que acontece dentro da fonte de alimentação depois que a corrente flui? Como a força não-eletrostática só pode polarizar átomos e gerar força eletromotriz na fonte de alimentação, a força não-eletrostática não pode realizar trabalho sobre os elétrons, nem pode fazer com que os elétrons externos superem a ligação dos núcleos atômicos e se tornem elétrons livres, muito menos o movimento direto dos elétrons para formar uma corrente elétrica. , Então, como é formada a corrente dentro da fonte de alimentação?
Para formar uma corrente na fonte de alimentação, além de fazer com que os elétrons externos superem a ligação do núcleo, também é necessário vencer a resistência da nuvem de elétrons para realizar o trabalho. Os não-eletrostáticos não têm essa função. Portanto, uma distribuição de tensão do pólo negativo da fonte de alimentação para o pólo positivo deve ser gerada na fonte de alimentação. No campo elétrico, a camada externa de elétrons forma uma corrente sob a ação dessa força do campo elétrico e gera uma queda de tensão no interior da fonte de alimentação. A queda de tensão é maior que o potencial do eletrodo positivo, ou seja, a direção é do eletrodo negativo para o eletrodo positivo, e a direção da força eletromotriz da fonte de alimentação é oposta.
