לגבי הולכה של מוליכי מתכת, תיאוריית ההולכה הקלאסית מאמינה שיש מספר רב של אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע בחופשיות בתוך מוליך המתכת. אלקטרונים חופשיים אלה נעים בכיוון תחת פעולת כוח השדה החשמלי ליצירת זרם חשמלי.
1 אלקטרון חוץ-גרעיני של אטומי מתכת
כל האטומים מורכבים מהגרעין ומהאלקטרונים החוץ-גרעיניים הנעים סביב הגרעין. הכוח הצנטריפטלי הנדרש לתנועת האלקטרונים מחוץ לגרעין מסופק על ידי כוח השדה החשמלי של קולומב בין הגרעין לאלקטרונים. אלקטרונים חוץ-גרעיניים רבים נמצאים במרחקים שונים מהגרעין שמחוץ לגרעין. האלקטרון הקרוב לגרעין הוא בעל הכוח הגדול ביותר והאנרגיה הכוללת של האלקטרון היא הנמוכה ביותר. לאלקטרון החיצוני הרחוק ביותר מהגרעין יש את הכוח המקשר הכי פחות על ידי הגרעין, האנרגיה הפוטנציאלית של האלקטרון היא הגדולה ביותר, וסך האנרגיה היא הגדולה ביותר. . מכיוון שהאלקטרון החיצוני הוא הכי פחות קשור, לעתים קרובות הוא מופרע על ידי אטומים שכנים ונע סביב הגרעינים השכנים. אטומי המתכת משולבים לגוף מתכת המבוסס על הכוח הנוצר מתנועת הפיתול ההדדית לאחר הפרעה של שכבת האלקטרונים החיצונית. בשל כוח הקשירה הקטן מאוד, למתכת יש מאפיינים של רכות ועיוות קל בעת חימום.
2 מוליך מתכת תחת פעולת כוח לורנץ (או כוח שדה חשמלי מושרה)
אם מוליך מתכת חותך את קו האינדוקציה המגנטי בשדה מגנטי, האלקטרונים מחוץ לליבה בתוך המוליך יהיו נתונים לכוח לורנץ, והאטומים יקוטבו תחת פעולה זו, וכתוצאה מכך יהיה כוח אלקטרו-מוטיבי של קיטוב אטומי. אבל לא משנה כמה גדול כוח לורנץ, הוא לא יכול לעשות עבודה על האלקטרון, להגדיל את האנרגיה הקינטית של האלקטרון ולשחרר אותו מהקשר של הגרעין. לאחר שהאלקטרון ישתחרר מהקשר של הגרעין, הוא ימשיך לעבוד עליו, והוא יאיץ לכיוון הכוח ליצירת זרם חשמלי.
3 מוליכי מתכת תחת חלוקת מתח וכוח שדה חשמלי
אם מתח מופעל על שני הקצוות של מוליך מתכת כדי ליצור שדה חשמלי של חלוקת מתח בתוך המוליך, האלקטרונים בשכבה הגרעינית החיצונית בתוך המוליך צריכים להיות נתונים לכוח השדה החשמלי של חלוקת המתח כאשר הם נעים סביב הגרעין, וכוח השדה החשמלי עושה עבודה חיובית על האלקטרונים. , להגביר את האנרגיה הקינטית של האלקטרונים, ולהיות בעל מספיק אנרגיה כדי להתגבר על השעבוד של הגרעין, ולהפוך לאלקטרונים חופשיים מחוץ לגרעין. מכיוון שרק לאלקטרונים החיצוניים בגרעין החיצוני יש את האנרגיה הגדולה ביותר, כדי ליצור אלקטרונים חופשיים, יש צורך להתגבר על כוח המשיכה הגרעיני ולעשות את העבודה הפחותה ביותר, ולכן בנסיבות רגילות, כאשר מופעל מתח על שני קצוות המוליך, רק האלקטרונים החיצוניים ביותר יכולים לעזוב את הגרעין ולהפוך לאלקטרונים חופשיים. האלקטרון החיצוני ביותר צריך לעשות הכי פחות עבודה כדי להתנתק מהשעבוד של הגרעין. האלקטרונים החופשיים לאחר יצירת זרם למעשה אינם חופשיים. מצד אחד, הם מושפעים מכוח השדה החשמלי של חלוקת המתח ותנועה בכיוון כוח השדה החשמלי. מצד שני, הם אינם ללא הפרעה במהלך התנועה. עבור אלקטרון זעיר מאוד, ניתן לומר שהחלל בתוך ומחוץ לאטום הוא די רחב. הגרעין הוא כמו כוכב במרחב הקוסמי, ואילו אלקטרונים חופשיים הם כמו מטאור קטן שעף במרחב הקוסמי. אנלוגיה זו אינה מתאימה במיוחד, כי מטאור המעופף בחלל עשוי שלא לגרום להתנגדות של עצמים אחרים, אך אלקטרונים חופשיים נתונים להתנגדות. הסיבה לכך היא שהחלל שמחוץ לגרעין אינו חסר כלום אלא גם מקיף את האלקטרונים הפנימיים, והמתכות הללו מספר האלקטרונים הפנימיים הוא הרבה יותר מהאלקטרונים החיצוניים ביותר היוצרים אלקטרונים חופשיים. אנחנו יכולים גם לקרוא למחסום שנוצר על ידי האלקטרונים הפנימיים של אטומים אלה כגז ענן אלקטרונים. גז ענן האלקטרונים טעון שלילי, וגם האלקטרונים החופשיים טעונים שלילי. לכן, אם אלקטרונים חופשיים עוברים בגז ענן האלקטרונים ליצירת זרם חשמלי, גז ענן האלקטרונים עשוי להתנגד לו. לאחר יצירת הזרם היציב, אם המתח בשני קצוות המוליך מוסר לפתע, השדה החשמלי בתוך המוליך נעלם, והאלקטרונים החופשיים מאבדים את השפעת כוח השדה החשמלי. רק התנגדות פועלת עליו, אז האלקטרונים מאטים והמהירות יורדת במהירות לאפס. . ואז, תחת פעולת כוח הכבידה של הגרעין, הוא חוזר למסלול המקביל של השכבה החיצונית של הגרעין כדי לנוע סביב הגרעין.
4 חוק אוהם וחוק ההתנגדות
בתהליך זרימת הזרם, עקב ההתנגדות של גז ענן האלקטרונים לאלקטרונים חופשיים, הוא מהווה מכשול מסוים לזרימת הזרם, אשר מייצר גם את ההתנגדות של המוליך. יש לציין כי ההתנגדות של אלקטרונים חופשיים במהלך תנועה אינה שווה להתנגדות המוליך. ההתנגדות של אלקטרונים חופשיים אינה אומרת שהתנגדות המוליך גדולה. לעומת זאת, ההתנגדות של המוליך גדולה, מה שלא אומר שההתנגדות של המוליך גדולה. כאשר נעים בכיוון, ההתנגדות גדולה.
5 המרת אנרגיה וחוק ג'ול
כאשר מתח מופעל רק על שני קצוות המוליך, כוח השדה החשמלי עושה עבודה חיובית על האלקטרונים החיצוניים ביותר של הגרעין כדי להתגבר על כוח הקישור של הגרעין, אבל העבודה שבוצע על ידי כוח השדה החשמלי שמתגבר על כוח הקישור של הגרעין היא הרבה פחות מהעבודה שעושה זרם זרם -לטווח ארוך כדי להתגבר על ההתנגדות של ענן האלקטרון. לכן, העבודה שנעשתה כדי להתגבר על השעבוד של הגרעין היא קטנה מאוד וניתן להתעלם ממנה.
בזמן האצה של אלקטרונים חופשיים, כוח השדה החשמלי עושה לו גם עבודה חיובית, אך מכיוון שלאלקטרון יש זמן תאוצה קצר מאוד ותזוקת התנועה קטנה מאוד (לא נדון כאן), גם כוח השדה החשמלי קטן מאוד וניתן להתעלם ממנו. לכן, לאחר שהאלקטרונים החופשיים יוצרים זרם, איבוד האנרגיה העיקרי של השדה החשמלי הוא להתגבר על ענן האלקטרונים כדי לבצע עבודה.
6 המוליך המופעל נע בשדה מגנטי
בניתוח לעיל, כאשר הזרם עובר דרך המוליך, הוא מתגבר רק על גז ענן האלקטרונים כדי לבצע עבודה. המכשול של גז ענן האלקטרונים בפני אלקטרונים חופשיים מוצג כהתנגדות, ולכן מוליך כזה נקרא מוליך התנגדות טהור, ומעגל עם רק מוליך התנגדות טהור במעגל נקרא מעגל התנגדות טהור. ניתן לראות מהנוסחאות לעיל שמעגל ההתנגדות הטהור ממיר עבודה חשמלית לאנרגיית חום.
עם זאת, המוליך המופעל יהיה נתון לכוח השדה המגנטי (כוח אמפר) בשדה המגנטי. תחת כוח זה, המוליך מתחיל לנוע מהר יותר, חותך את קווי האינדוקציה המגנטיים, מקטב את האטומים במוליך ויוצר כוח אלקטרו-מוטיבי מקוטב. היווצרות של כוח אלקטרו-מוטיבי המושרה מסוף תיצור שדה חשמלי בחלקים אחרים של המוליך החיצוני, ותייצר התנגדות לאלקטרונים החופשיים הזורמים דרכם. על מנת להתגבר על ההתנגדות, הזרם מייצר שדה חשמלי של חלוקת מתח באותו כיוון כמו הזרם במוליך, מה שהופך את השדה החשמלי והאינדוקציה השדה החשמלי שנוצר על ידי הכוח האלקטרו-מוטורי מתבטל, ובכך שומר על יציבות הזרם, וגם יוצר מתח בשני קצוות המוליך. גודל המתח זהה לחלוטין לכוח האלקטרו-מוטיבציה המושרה והכיוון הפוך.
בדרך זו, כוח השדה החשמלי של חלוקת המתח חייב להתגבר על ההתנגדות שנוצרת על ידי הכוח האלקטרומוטיבי המושרה כדי לבצע עבודה ולצרוך אנרגיה חשמלית. אנרגיה זו מומרת לכוח אמפר כדי לבצע עבודה על העולם החיצון, המופיעה בצורה של אנרגיה מכנית.
אם המוליך המוצב בשדה המגנטי אינו מוליך אידיאלי, אזי כוח השדה החשמלי חייב לא רק להתגבר על הכוח האלקטרו-מוטיבי המושרה כדי לבצע עבודה, אלא גם להתגבר על ההתנגדות של ענן האלקטרונים כדי לבצע עבודה. לכן, חלק מהאנרגיה החשמלית מומרת לצורה של אנרגיה מכנית, וחלק ממנה הופך לאנרגיית חום.
7 אספקת חשמל לאחר זרימת זרם
מה קורה בתוך ספק הכוח לאחר שהזרם זורם? מכיוון שכוח לא-אלקטרוסטטי יכול רק לקטב אטומים וליצור כוח אלקטרו-מוטיבי באספקת החשמל, הכוח הלא-אלקטרוסטטי לא יכול לעשות עבודה על אלקטרונים, וגם לא יכול לגרום לאלקטרונים חיצוניים להתגבר על השעבוד של גרעיני אטום ולהפוך לאלקטרונים חופשיים, שלא לדבר על תנועה ישירה של אלקטרונים ליצירת זרם חשמלי. , לאחר מכן, כיצד נוצר הזרם בתוך ספק הכוח?
כדי ליצור זרם באספקת החשמל, בנוסף לכך שהאלקטרונים החיצוניים יצליחו להתגבר על השעבוד של הגרעין, יש צורך גם להתגבר על ההתנגדות של ענן האלקטרונים כדי לבצע עבודה. לא-אלקטרוסטטיקה אין פונקציה כזו. לכן, יש ליצור חלוקת מתח מהקוטב השלילי של ספק הכוח לקוטב החיובי. בשדה החשמלי, השכבה החיצונית של האלקטרונים יוצרת זרם תחת פעולת כוח השדה החשמלי הזה ויוצרת מפל מתח בתוך ספק הכוח. מפל המתח גבוה מפוטנציאל האלקטרודה החיובי, כלומר הכיוון הוא מהאלקטרודה השלילית לאלקטרודה החיובית, וכיוון הכוח האלקטרו-מוטיבי של ספק הכוח הפוך.
