Metal iletkenlerin iletimi ile ilgili olarak klasik iletim teorisi, metal iletkenin içinde serbestçe hareket edebilen çok sayıda serbest elektronun bulunduğuna inanmaktadır. Bu serbest elektronlar, elektrik alanı kuvvetinin etkisi altında, bir elektrik akımı oluşturmak üzere yönsel olarak hareket ederler.
1 Metal atomlarının çekirdek dışı elektronu
Tüm atomlar çekirdekten ve çekirdeğin etrafında hareket eden çekirdek dışı elektronlardan oluşur. Elektronların çekirdek dışına hareketi için gerekli olan merkezcil kuvvet, çekirdek ile elektronlar arasındaki Coulomb elektrik alan kuvveti tarafından sağlanır. Çok sayıda nükleer dışı elektron, çekirdeğin dışında, çekirdeğe farklı mesafelerde bulunur. Çekirdeğe en yakın elektron en büyük kuvvete sahiptir ve elektronun toplam enerjisi en düşüktür. Çekirdeğe en uzak olan en dıştaki elektron, çekirdek tarafından en az bağlanma kuvvetine sahiptir, elektronun potansiyel enerjisi en büyüktür ve toplam enerji en büyüktür. . En dıştaki elektron en az bağlanan elektron olduğundan, komşu atomlar tarafından sıklıkla engellenir ve komşu çekirdeklerin etrafında hareket eder. Metal atomları, dış elektron katmanının müdahalesinden sonra karşılıklı sarma hareketinin oluşturduğu kuvvete dayanarak metal bir gövde halinde birleştirilir. Çok küçük bağlama kuvveti nedeniyle metal, ısıtıldığında yumuşaklık ve kolay deformasyon özelliklerine sahiptir.
2 Lorentz kuvvetinin (veya indüklenen elektrik alan kuvvetinin) etkisi altındaki metal iletken
Bir metal iletken manyetik indüksiyon hattını manyetik bir alanda keserse, iletkenin içindeki çekirdeğin dışındaki elektronlar Lorentz kuvvetine maruz kalacak ve atomlar bu etki altında polarize olacak ve sonuçta atomik polarizasyon elektromotor kuvveti oluşacaktır. Ancak Lorentz kuvveti ne kadar büyük olursa olsun elektron üzerinde iş yapamaz, elektronun kinetik enerjisini arttıramaz ve onu çekirdek bağlarından kurtaramaz. Elektron çekirdeğin bağından kurtulduktan sonra üzerinde çalışmaya devam edecek ve bir elektrik akımı oluşturacak şekilde kuvvet yönünde hızlanacaktır.
Gerilim dağıtımı ve elektrik alan kuvveti altında 3 metal iletken
İletkenin içinde gerilim dağılımlı bir elektrik alanı oluşturmak için metal bir iletkenin her iki ucuna gerilim uygulanırsa, iletkenin içindeki dış nükleer katmandaki elektronlar çekirdeğin etrafında hareket ederken gerilim dağılımlı elektrik alan kuvvetine maruz kalmalı ve elektrik alan kuvveti elektronlar üzerinde pozitif iş yapmalıdır. , Elektronların kinetik enerjisini arttırmak ve çekirdeğin bağlarını aşarak çekirdeğin dışında serbest elektronlar haline gelmek için yeterli enerjiye sahip olmak. Yalnızca dış çekirdekteki en dıştaki elektronlar en büyük enerjiye sahip olduğundan, serbest elektronlar oluşturmak için nükleer yerçekiminin üstesinden gelmek ve en az işi yapmak gerekir. Bu nedenle normal koşullar altında, bir iletkenin her iki ucuna da voltaj uygulandığında yalnızca en dıştaki elektronlar çekirdeği terk edip serbest elektron haline gelebilir. En dıştaki elektronun çekirdeğin bağlarından kurtulmak için en az işi yapması gerekir. Bir akım oluşturduktan sonra serbest elektronlar aslında serbest değildir. Bir yandan gerilim dağılımının elektrik alan kuvvetinden ve elektrik alan kuvveti yönündeki hareketinden etkilenirler. Öte yandan hareket sırasında engelsiz de değiller. Çok küçük bir elektron için atomun içindeki ve dışındaki boşluğun oldukça geniş olduğu söylenebilir. Çekirdek kozmik uzaydaki bir yıldıza benzerken, serbest elektronlar kozmik uzayda uçan küçük bir meteor gibidir. Bu benzetme pek uygun değil çünkü uzayda uçan meteor diğer nesnelerin direncine neden olmayabilir ancak serbest elektronlar dirence maruz kalır. Bunun nedeni, çekirdeğin dışındaki uzayın da boş olmaması, aynı zamanda iç elektronların ve bu metallerin yörüngesinde dönmesidir. İç elektronların sayısı, serbest elektronları oluşturan en dıştaki elektronlardan çok daha fazladır. Bu atomların iç elektronlarının oluşturduğu bariyere elektron bulutu gazı da diyebiliriz. Elektron bulutu gazı negatif yüklüdür ve serbest elektronlar da negatif yüklüdür. Bu nedenle, eğer serbest elektronlar bir elektrik akımı oluşturmak için elektron bulutu gazı içinde yer değiştirirse, buna elektron bulutu gazı tarafından direnç gösterilmesi kaçınılmazdır. Kararlı akım oluştuktan sonra iletkenin her iki ucundaki gerilim aniden kaldırılırsa iletkenin içindeki elektrik alanı kaybolur ve serbest elektronlar elektrik alan kuvvetinin etkisini kaybeder. Buna yalnızca direnç etki eder, böylece elektronlar yavaşlar ve hız hızla sıfıra düşer. . Daha sonra çekirdeğin çekim kuvvetinin etkisi altında, çekirdeğin etrafında hareket etmek için çekirdeğin dış katmanının karşılık gelen yörüngesine geri döner.
4 Ohm kanunu ve direnç kanunu
Akım akışı sürecinde elektron bulutu gazının serbest elektronlara karşı direnci nedeniyle akımın akışına belirli bir engel oluşturur ve bu da iletkenin direncini oluşturur. Serbest elektronların hareket sırasındaki direncinin iletkenin direncine eşit olmadığı unutulmamalıdır. Serbest elektronların direnci, iletkenin direncinin büyük olduğu anlamına gelmez. Tersine, iletkenin direncinin büyük olması, iletkenin direncinin büyük olduğu anlamına gelmez. Yön yönünde hareket ederken direnç büyüktür.
5 Enerji Dönüşümü ve Joule Yasası
İletkenin her iki ucuna voltaj uygulandığında, elektrik alan kuvveti çekirdeğin bağlanma kuvvetini yenmek için çekirdeğin en dıştaki elektronları üzerinde pozitif iş yapar, ancak çekirdeğin bağlanma kuvvetini aşan elektrik alan kuvvetinin yaptığı iş, uzun-dönemli akım akışının elektron bulutunun direncini yenmek için yaptığı işten çok daha azdır. Bu nedenle çekirdeğin esaretini aşmak için yapılan iş çok küçüktür ve göz ardı edilebilir.
Serbest elektronların hızlanması sırasında, elektrik alan kuvveti de ona pozitif iş yapar, ancak elektronun hızlanma süresi çok kısa olduğundan ve hareket yer değiştirmesi çok küçük olduğundan (burada tartışılmamıştır), elektrik alan kuvveti de çok küçüktür ve göz ardı edilebilir. Bu nedenle, serbest elektronlar bir akım oluşturduktan sonra, elektrik alanının ana enerji kaybı, iş yapmak için elektron bulutunu yenmektir.
6 Enerjili iletken manyetik bir alanda hareket eder
Yukarıdaki analizde, akım iletkenden geçtiğinde iş yapmak için yalnızca elektron bulut gazının üstesinden gelir. Elektron bulutu gazının serbest elektronlara olan engeli direnç olarak gösterilir, dolayısıyla böyle bir iletkene saf direnç iletkeni, devrede yalnızca saf direnç iletkeni bulunan devreye ise saf direnç iletkeni adı verilir. Saf direnç devresinin elektrik işini ısı enerjisine dönüştürdüğü yukarıdaki formüllerden görülebilir.
Ancak enerji verilen iletken manyetik alan içerisinde manyetik alan kuvvetine (amper kuvveti) maruz kalacaktır. Bu kuvvetin altında iletken daha hızlı hareket etmeye başlar, manyetik indüksiyon çizgilerini keser, iletkendeki atomları polarize eder ve polarize bir elektromotor kuvvet üretir. Terminal kaynaklı elektromotor kuvvetin oluşumu, dış iletkenin diğer kısımlarında bir elektrik alanı oluşturacak ve içinden geçen serbest elektronlara karşı direnç üretecektir. Direncin üstesinden gelmek için akım, iletkendeki akımla aynı yönde bir voltaj dağılımlı elektrik alanı oluşturur, bu da elektrik alanını ve indüksiyonu sağlar. Elektromotor kuvvet tarafından üretilen elektrik alanı iptal edilir, böylece akımın stabilitesi korunur ve ayrıca iletkenin her iki ucunda bir voltaj üretilir. Gerilimin büyüklüğü indüklenen elektromotor kuvvetle tamamen aynı olup yönü terstir.
Bu şekilde, iş yapabilmek ve elektrik enerjisi tüketebilmek için, gerilim dağılımlı elektrik alan kuvvetinin, indüklenen elektromotor kuvvetin oluşturduğu direnci aşması gerekmektedir. Bu enerji dış dünyada iş yapmak için amperlik bir kuvvete dönüştürülür ve bu da mekanik enerji şeklinde ortaya çıkar.
Manyetik alana yerleştirilen iletken ideal bir iletken değilse, elektrik alan kuvvetinin iş yapmak için yalnızca indüklenen elektromotor kuvveti aşması yetmez, aynı zamanda elektron bulutunun iş yapma direncini de aşması gerekir. Bu nedenle elektrik enerjisinin bir kısmı mekanik enerjiye, bir kısmı da ısı enerjisine dönüştürülür.
7 Akım akışından sonra güç kaynağı
Akım aktıktan sonra güç kaynağının içinde ne olur? Elektrostatik olmayan kuvvet yalnızca-atomları kutuplaştırabildiğinden ve güç kaynağında elektromotor kuvveti oluşturabildiğinden,-elektrostatik olmayan kuvvet elektronlar üzerinde iş yapamaz ve bırakın elektronların bir elektrik akımı oluşturacak şekilde doğrudan hareket etmesini, dış elektronların atom çekirdeklerinin bağını aşıp serbest elektronlar haline gelmesini sağlayamaz. Peki güç kaynağının içindeki akım nasıl oluşuyor?
Güç kaynağında bir akım oluşturmak için, dıştaki elektronların çekirdeğin bağlarını aşmasını sağlamanın yanı sıra, iş yapabilmek için elektron bulutunun direncini de yenmek gerekir. Elektrostatik-olmayanların böyle bir işlevi yoktur. Bu nedenle güç kaynağında, güç kaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna kadar bir gerilim dağılımının oluşturulması gerekmektedir. Elektrik alanında, elektronların dış katmanı, bu elektrik alan kuvvetinin etkisi altında bir akım oluşturur ve güç kaynağının içinde bir voltaj düşüşü oluşturur. Gerilim düşüşü pozitif elektrot potansiyelinden daha yüksektir, yani yön negatif elektrottan pozitif elektrota doğrudur ve güç kaynağının elektromotor kuvvetinin yönü zıttır.
