Concernant la conduction des conducteurs métalliques, la théorie classique de la conduction estime qu’il existe un grand nombre d’électrons libres qui peuvent se déplacer librement à l’intérieur du conducteur métallique. Ces électrons libres se déplacent directionnellement sous l’action de la force du champ électrique pour former un courant électrique.
1 électron extranucléaire d'atomes métalliques
Tous les atomes sont composés du noyau et des électrons extranucléaires se déplaçant autour du noyau. La force centripète nécessaire au mouvement des électrons à l'extérieur du noyau est fournie par la force du champ électrique coulombien entre le noyau et les électrons. De nombreux électrons extranucléaires se trouvent à différentes distances du noyau en dehors du noyau. L’électron le plus proche du noyau a la plus grande force et l’énergie totale de l’électron est la plus faible. L'électron le plus externe le plus éloigné du noyau a la moindre force de liaison de la part du noyau, l'énergie potentielle de l'électron est la plus grande et l'énergie totale est la plus grande. . Parce que l'électron le plus externe est le moins lié, il est souvent interféré par les atomes voisins et se déplace autour des noyaux voisins. Les atomes métalliques sont combinés en un corps métallique basé sur la force formée par le mouvement d'enroulement mutuel après l'interférence de la couche externe d'électrons. En raison de la très faible force de liaison, le métal présente les caractéristiques de douceur et de déformation facile lorsqu'il est chauffé.
2 Conducteur métallique sous l'action de la force de Lorentz (ou force du champ électrique induit)
Si un conducteur métallique coupe la ligne d'induction magnétique dans un champ magnétique, les électrons à l'extérieur du noyau à l'intérieur du conducteur seront soumis à la force de Lorentz et les atomes seront polarisés sous cette action, ce qui entraînera une force électromotrice de polarisation atomique. Mais quelle que soit l’ampleur de la force de Lorentz, elle ne peut pas agir sur l’électron, augmenter l’énergie cinétique de l’électron et le libérer de la liaison du noyau. Une fois que l’électron est libéré de la liaison du noyau, il continue à travailler sur celui-ci et accélère dans la direction de la force pour former un courant électrique.
3 Conducteurs métalliques sous distribution de tension et force de champ électrique
Si une tension est appliquée aux deux extrémités d'un conducteur métallique pour former un champ électrique de distribution de tension à l'intérieur du conducteur, les électrons de la couche nucléaire externe à l'intérieur du conducteur doivent être soumis à la force du champ électrique de distribution de tension lorsqu'ils se déplacent autour du noyau, et la force du champ électrique effectue un travail positif sur les électrons. , Pour augmenter l'énergie cinétique des électrons et avoir suffisamment d'énergie pour surmonter la servitude du noyau et devenir des électrons libres en dehors du noyau. Étant donné que seuls les électrons les plus externes du noyau externe ont la plus grande énergie, pour former des électrons libres, il est nécessaire de surmonter la gravité nucléaire et de faire le moins de travail. Ainsi, dans des circonstances normales, lorsqu'une tension est appliquée aux deux extrémités d'un conducteur, seuls les électrons les plus externes peuvent quitter le noyau et devenir des électrons libres. L’électron le plus externe doit faire le moins de travail pour se libérer de l’esclavage du noyau. Les électrons libres après avoir formé un courant ne sont en réalité pas libres. D'une part, ils sont influencés par la force du champ électrique de la distribution de tension et par le mouvement dans la direction de la force du champ électrique. En revanche, ils ne sont pas libres lors du mouvement. Pour un très petit électron, l’espace à l’intérieur et à l’extérieur de l’atome peut être considéré comme assez vaste. Le noyau est comme une étoile dans l’espace cosmique, tandis que les électrons libres sont comme un petit météore volant dans l’espace cosmique. Cette analogie n'est pas très appropriée, car les météores volant dans l'espace peuvent ne pas provoquer de résistance de la part d'autres objets, mais les électrons libres sont sujets à une résistance. En effet, l'espace à l'extérieur du noyau n'est pas dépourvu de rien mais orbite également autour des électrons internes, et ces métaux. Le nombre d'électrons internes est bien supérieur à celui des électrons les plus externes qui forment des électrons libres. Nous pourrions tout aussi bien appeler la barrière formée par les électrons internes de ces atomes un nuage d’électrons gazeux. Le gaz du nuage d’électrons est chargé négativement et les électrons libres sont également chargés négativement. Par conséquent, si des électrons libres se déplacent dans le gaz du nuage d’électrons pour former un courant électrique, le gaz du nuage d’électrons résistera forcément. Une fois le courant stable formé, si la tension aux deux extrémités du conducteur est soudainement supprimée, le champ électrique à l'intérieur du conducteur disparaît et les électrons libres perdent l'effet de la force du champ électrique. Seule la résistance agit sur lui, donc les électrons décélérent et la vitesse diminue rapidement jusqu'à zéro. . Puis, sous l'action de la force gravitationnelle du noyau, il retourne sur l'orbite correspondante de la couche externe du noyau pour se déplacer autour du noyau.
Loi de 4 Ohm et loi de résistance
Dans le processus de circulation du courant, en raison de la résistance du gaz du nuage d'électrons aux électrons libres, il forme un certain obstacle à la circulation du courant, qui produit également la résistance du conducteur. Il faut noter que la résistance des électrons libres lors du mouvement n’est pas égale à la résistance du conducteur. La résistance des électrons libres ne signifie pas que la résistance du conducteur est grande. A l’inverse, la résistance du conducteur est grande, ce qui ne veut pas dire que la résistance du conducteur est grande. Lorsque vous vous déplacez dans une direction directionnelle, la résistance est grande.
5 Conversion d'énergie et loi de Joule
Lorsque la tension est simplement appliquée aux deux extrémités du conducteur, la force du champ électrique effectue un travail positif sur les électrons les plus externes du noyau pour vaincre la force de liaison du noyau, mais le travail effectué par la force du champ électrique surmontant la force de liaison du noyau est bien inférieur au travail effectué par le flux de courant à long terme pour vaincre la résistance du nuage d'électrons. Par conséquent, le travail effectué pour surmonter la servitude du noyau est très faible et peut être ignoré.
Lors de l'accélération des électrons libres, la force du champ électrique effectue également un travail positif, mais comme l'électron a un temps d'accélération très court et que le déplacement est très faible (non discuté ici), la force du champ électrique est également très faible et peut être ignorée. Par conséquent, une fois que les électrons libres forment un courant, la principale perte d'énergie du champ électrique consiste à surmonter le nuage d'électrons pour effectuer le travail.
6 Le conducteur sous tension se déplace dans un champ magnétique
Dans l’analyse ci-dessus, lorsque le courant traverse le conducteur, il ne fait que surmonter le gaz du nuage d’électrons pour effectuer son travail. L'obstacle du gaz du nuage d'électrons aux électrons libres est représenté par une résistance, donc un tel conducteur est appelé un conducteur à résistance pure, et un circuit avec seulement un conducteur à résistance pure dans le circuit est appelé un circuit à résistance pure. Il ressort des formules ci-dessus que le circuit à résistance pure convertit le travail électrique en énergie thermique.
Cependant, le conducteur sous tension sera soumis à la force du champ magnétique (force ampère) dans le champ magnétique. Sous cette force, le conducteur commence à se déplacer plus rapidement, coupant les lignes d’induction magnétique, polarisant les atomes du conducteur et générant une force électromotrice polarisée. La formation d'une force électromotrice induite aux bornes générera un champ électrique dans d'autres parties du conducteur externe et produira une résistance aux électrons libres qui le traversent. Afin de vaincre la résistance, le courant génère un champ électrique de distribution de tension dans le même sens que le courant dans le conducteur, ce qui rend le champ électrique et l'induction. Le champ électrique généré par la force électromotrice s'annule, maintenant ainsi la stabilité du courant, et génère également une tension aux deux extrémités du conducteur. L’amplitude de la tension est exactement la même que la force électromotrice induite et la direction est opposée.
De cette manière, la force du champ électrique de distribution de tension doit surmonter la résistance générée par la force électromotrice induite pour effectuer le travail et consommer de l’énergie électrique. Cette énergie est convertie en ampère-force pour effectuer un travail sur le monde extérieur, qui apparaît sous forme d’énergie mécanique.
Si le conducteur placé dans le champ magnétique n’est pas un conducteur idéal, alors la force du champ électrique doit non seulement vaincre la force électromotrice induite pour effectuer le travail, mais également vaincre la résistance du nuage d’électrons pour effectuer le travail. Par conséquent, une partie de l’énergie électrique est convertie sous forme d’énergie mécanique et une autre partie est convertie en énergie thermique.
7 Alimentation après passage du courant
Que se passe-t-il à l’intérieur de l’alimentation après la circulation du courant ? Étant donné que la force non-électrostatique ne peut que polariser les atomes et générer une force électromotrice dans l'alimentation électrique, la force non-électrostatique ne peut pas travailler sur les électrons, ni faire en sorte que les électrons externes surmontent la liaison des noyaux atomiques et deviennent des électrons libres, sans parler du mouvement direct des électrons pour former un courant électrique. , Alors, comment se forme le courant à l’intérieur de l’alimentation ?
Pour former un courant dans l'alimentation électrique, en plus de faire en sorte que les électrons externes surmontent la servitude du noyau, il est également nécessaire de surmonter la résistance du nuage d'électrons pour effectuer le travail. Les produits non-électrostatiques n'ont pas une telle fonction. Par conséquent, une distribution de tension du pôle négatif de l’alimentation vers le pôle positif doit être générée dans l’alimentation. Dans le champ électrique, la couche externe d’électrons forme un courant sous l’action de cette force de champ électrique et génère une chute de tension à l’intérieur de l’alimentation. La chute de tension est supérieure au potentiel de l'électrode positive, c'est-à-dire que la direction va de l'électrode négative à l'électrode positive et que la direction de la force électromotrice de l'alimentation est opposée.
