فيما يتعلق بتوصيل الموصلات المعدنية، تعتقد نظرية التوصيل الكلاسيكية أن هناك عدد كبير من الإلكترونات الحرة التي يمكنها التحرك بحرية داخل الموصل المعدني. تتحرك هذه الإلكترونات الحرة اتجاهيًا تحت تأثير قوة المجال الكهربائي لتكوين تيار كهربائي.
1 إلكترون خارج النواة من ذرات المعدن
تتكون جميع الذرات من النواة والإلكترونات خارج النواة التي تتحرك حول النواة. يتم توفير قوة الجذب المركزي اللازمة لحركة الإلكترونات خارج النواة بواسطة قوة المجال الكهربائي كولوم بين النواة والإلكترونات. توجد العديد من الإلكترونات خارج النواة على مسافات مختلفة من النواة خارج النواة. الإلكترون الأقرب إلى النواة لديه أكبر قوة والطاقة الإجمالية للإلكترون هي الأدنى. الإلكترون الأبعد عن النواة لديه أقل قوة ربط بالنواة، وطاقة وضع الإلكترون هي الأكبر، والطاقة الإجمالية هي الأكبر. . نظرًا لأن الإلكترون الأبعد هو الأقل ارتباطًا، فغالبًا ما تتداخل معه الذرات المجاورة ويتحرك حول النوى المجاورة. يتم دمج ذرات المعدن لتكوين جسم معدني بناءً على القوة المتكونة من حركة اللف المتبادلة بعد تداخل الطبقة الخارجية من الإلكترونات. نظرًا لقوة الربط الصغيرة جدًا، يتميز المعدن بخصائص النعومة وسهولة التشوه عند التسخين.
2 موصل معدني تحت تأثير قوة لورنتز (أو قوة المجال الكهربائي المستحث)
إذا قطع موصل معدني خط الحث المغناطيسي في مجال مغناطيسي، فإن الإلكترونات الموجودة خارج النواة داخل الموصل سوف تتعرض لقوة لورنتز، وسوف تستقطب الذرات تحت هذا الإجراء، وينتج عن ذلك قوة دافعة كهربية استقطاب ذري. لكن مهما كانت قوة لورنتز كبيرة، فإنها لا تستطيع بذل شغل على الإلكترون، وزيادة الطاقة الحركية للإلكترون، وتحرره من رابطة النواة. وبعد أن يتحرر الإلكترون من رابطة النواة، فإنه يستمر في العمل عليها، ويتسارع في اتجاه القوة لتكوين تيار كهربائي.
3 الموصلات المعدنية تحت توزيع الجهد وقوة المجال الكهربائي
إذا تم تطبيق جهد على طرفي موصل معدني لتشكيل مجال كهربائي لتوزيع الجهد داخل الموصل، فإن الإلكترونات الموجودة في الطبقة النووية الخارجية داخل الموصل يجب أن تخضع لقوة المجال الكهربائي لتوزيع الجهد عندما تتحرك حول النواة، وتقوم قوة المجال الكهربائي بعمل إيجابي على الإلكترونات. ، لزيادة الطاقة الحركية للإلكترونات، وتكون لديها طاقة كافية للتغلب على عبودية النواة، وتصبح إلكترونات حرة خارج النواة. نظرًا لأن الإلكترونات الخارجية فقط في النواة الخارجية هي التي تمتلك أكبر طاقة، لتكوين إلكترونات حرة، فمن الضروري التغلب على الجاذبية النووية والقيام بأقل جهد، لذلك في الظروف العادية، عندما يتم تطبيق الجهد على طرفي الموصل، فإن الإلكترونات الخارجية فقط هي التي يمكنها مغادرة النواة وتصبح إلكترونات حرة. يحتاج الإلكترون الخارجي إلى بذل أقل جهد للتحرر من عبودية النواة. الإلكترونات الحرة بعد تكوين التيار ليست في الواقع حرة. فمن ناحية تتأثر بقوة المجال الكهربائي لتوزيع الجهد وحركته في اتجاه قوة المجال الكهربائي. ومن ناحية أخرى، فهي ليست دون عوائق أثناء الحركة. بالنسبة للإلكترون الصغير جدًا، يمكن القول أن الفضاء داخل الذرة وخارجها متسع للغاية. النواة تشبه النجم في الفضاء الكوني، بينما الإلكترونات الحرة تشبه النيزك الصغير الذي يطير في الفضاء الكوني. وهذا التشبيه ليس مناسبًا جدًا، لأن تحليق النيزك في الفضاء قد لا يسبب مقاومة من الأجسام الأخرى، لكن الإلكترونات الحرة تخضع للمقاومة. وذلك لأن الفضاء خارج النواة لا يخلو من شيء بل يدور أيضاً حول الإلكترونات الداخلية، وهذه المعادن عدد الإلكترونات الداخلية فيها أكبر بكثير من الإلكترونات الخارجية التي تشكل إلكترونات حرة. ويمكننا أيضًا أن نطلق على الحاجز الذي تشكله الإلكترونات الداخلية لهذه الذرات اسم غاز السحابة الإلكترونية. إن غاز السحابة الإلكترونية مشحون بشحنة سالبة، كما أن الإلكترونات الحرة مشحونة بشحنة سالبة أيضًا. لذلك، إذا انتقلت الإلكترونات الحرة في غاز السحابة الإلكترونية لتكوين تيار كهربائي، فلا بد أن يقاومها غاز السحابة الإلكترونية. بعد تكوين تيار مستقر، إذا تمت إزالة الجهد عند طرفي الموصل فجأة، يختفي المجال الكهربائي داخل الموصل، وتفقد الإلكترونات الحرة تأثير قوة المجال الكهربائي. تعمل عليه المقاومة فقط، فتتباطأ الإلكترونات وتنخفض السرعة بسرعة إلى الصفر. . ثم، تحت تأثير قوة الجاذبية للنواة، تعود إلى المدار المقابل للطبقة الخارجية للنواة لتتحرك حول النواة.
4 قانون أوم وقانون المقاومة
في عملية تدفق التيار، بسبب مقاومة غاز السحابة الإلكترونية للإلكترونات الحرة، فإنه يشكل عائقًا معينًا أمام تدفق التيار، والذي ينتج أيضًا مقاومة الموصل. وتجدر الإشارة إلى أن مقاومة الإلكترونات الحرة أثناء الحركة لا تساوي مقاومة الموصل. مقاومة الإلكترونات الحرة لا تعني أن مقاومة الموصل كبيرة. وعلى العكس من ذلك، فإن مقاومة الموصل كبيرة، وهذا لا يعني أن مقاومة الموصل كبيرة. عند التحرك في اتجاه اتجاهي، تكون المقاومة كبيرة.
5 تحويل الطاقة وقانون جول
عندما يتم تطبيق الجهد الكهربي على طرفي الموصل فقط، فإن قوة المجال الكهربائي تبذل عملًا إيجابيًا على الإلكترونات الخارجية للنواة للتغلب على قوة ربط النواة، ولكن الشغل الذي تبذله قوة المجال الكهربائي للتغلب على قوة ربط النواة أقل بكثير من العمل الذي تبذله تدفقات التيار على المدى الطويل- للتغلب على مقاومة السحابة الإلكترونية. ولذلك، فإن العمل المنجز للتغلب على عبودية النواة صغير جدًا ويمكن تجاهله.
أثناء تسارع الإلكترونات الحرة، تقوم قوة المجال الكهربائي أيضًا بعمل إيجابي عليها، ولكن نظرًا لأن الإلكترون لديه وقت تسارع قصير جدًا وإزاحة الحركة صغيرة جدًا (لم تتم مناقشتها هنا)، فإن قوة المجال الكهربائي صغيرة جدًا أيضًا ويمكن تجاهلها. لذلك، بعد أن تشكل الإلكترونات الحرة تيارًا، فإن فقدان الطاقة الرئيسي للمجال الكهربائي هو التغلب على السحابة الإلكترونية للقيام بالعمل.
6 يتحرك الموصل المنشط في مجال مغناطيسي
في التحليل أعلاه، عندما يمر التيار عبر الموصل، فإنه يتغلب فقط على غاز السحابة الإلكترونية ليقوم بالشغل. يظهر عائق غاز سحابة الإلكترون أمام الإلكترونات الحرة كمقاومة، لذلك يسمى هذا الموصل موصل مقاومة نقية، والدائرة التي تحتوي على موصل مقاومة نقية فقط في الدائرة تسمى دائرة مقاومة نقية. يتبين من الصيغ المذكورة أعلاه أن دائرة المقاومة النقية تحول الشغل الكهربائي إلى طاقة حرارية.
ومع ذلك، فإن الموصل المنشط سوف يتعرض لقوة المجال المغناطيسي (قوة أمبير) في المجال المغناطيسي. تحت هذه القوة، يبدأ الموصل في التحرك بشكل أسرع، مما يؤدي إلى قطع خطوط الحث المغناطيسية، واستقطاب الذرات الموجودة في الموصل، وتوليد قوة دافعة كهربائية مستقطبة. إن تكوين القوة الدافعة الكهربائية المستحثة الطرفية سوف يولد مجالًا كهربائيًا في أجزاء أخرى من الموصل الخارجي، وينتج مقاومة للإلكترونات الحرة المتدفقة من خلاله. من أجل التغلب على المقاومة، يقوم التيار بتوليد مجال كهربائي لتوزيع الجهد في نفس اتجاه التيار في الموصل، مما يجعل المجال الكهربائي والتحريض يلغي المجال الكهربائي الناتج عن القوة الدافعة الكهربائية، وبالتالي الحفاظ على استقرار التيار، ويولد أيضًا جهدًا عند طرفي الموصل. مقدار الجهد هو بالضبط نفس القوة الدافعة الكهربية المستحثة والاتجاه معاكس.
بهذه الطريقة، يجب أن تتغلب قوة المجال الكهربائي لتوزيع الجهد على المقاومة الناتجة عن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة للقيام بالعمل واستهلاك الطاقة الكهربائية. وتتحول هذه الطاقة إلى قوة أمبير لبذل شغل على العالم الخارجي، والذي يظهر على شكل طاقة ميكانيكية.
إذا كان الموصل الموضوع في المجال المغناطيسي ليس موصلًا مثاليًا، فيجب ألا تتغلب قوة المجال الكهربائي على القوة الدافعة الكهربائية المستحثة للقيام بالشغل فحسب، بل يجب أيضًا التغلب على مقاومة السحابة الإلكترونية للقيام بالشغل. ولذلك يتحول جزء من الطاقة الكهربائية إلى صورة طاقة ميكانيكية، ويتحول جزء منها إلى طاقة حرارية.
7 إمدادات الطاقة بعد التدفق الحالي
ماذا يحدث داخل مصدر الطاقة بعد تدفق التيار؟ نظرًا لأن القوة غير الكهروستاتيكية-لا يمكنها سوى استقطاب الذرات وتوليد قوة دافعة كهربية في مصدر الطاقة، فإن القوة غير الكهروستاتيكية-لا يمكنها بذل شغل على الإلكترونات، ولا يمكنها جعل الإلكترونات الخارجية تتغلب على عبودية النوى الذرية وتصبح إلكترونات حرة، ناهيك عن الحركة المباشرة للإلكترونات لتكوين تيار كهربائي. إذن كيف يتشكل التيار داخل مصدر الطاقة؟
لتكوين تيار في مصدر الطاقة، بالإضافة إلى جعل الإلكترونات الخارجية تتغلب على عبودية النواة، من الضروري أيضًا التغلب على مقاومة السحابة الإلكترونية لأداء العمل. ليس للكهرباء الساكنة- مثل هذه الوظيفة. ولذلك، يجب أن يتم توليد توزيع الجهد من القطب السالب لمصدر الطاقة إلى القطب الموجب في مصدر الطاقة. في المجال الكهربائي، تشكل الطبقة الخارجية من الإلكترونات تيارًا تحت تأثير قوة المجال الكهربائي هذه وتولد انخفاضًا في الجهد داخل مصدر الطاقة. انخفاض الجهد أعلى من إمكانات القطب الموجب، أي أن الاتجاه من القطب السالب إلى القطب الموجب، واتجاه القوة الدافعة الكهربائية لمصدر الطاقة معاكس.
