เกี่ยวกับการนำตัวนำโลหะ ทฤษฎีการนำโลหะแบบคลาสสิกเชื่อว่ามีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากที่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในตัวนำโลหะ อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางภายใต้การกระทำของแรงสนามไฟฟ้าเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า
1 อิเล็กตรอนนอกนิวเคลียร์ของอะตอมโลหะ
อะตอมทั้งหมดประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนนอกนิวเคลียร์เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส แรงสู่ศูนย์กลางที่จำเป็นสำหรับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายนอกนิวเคลียสนั้นได้มาจากแรงสนามไฟฟ้าคูลอมบ์ระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนนอกนิวเคลียสจำนวนมากอยู่ห่างจากนิวเคลียสที่อยู่นอกนิวเคลียสต่างกัน อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะมีแรงมากที่สุดและพลังงานรวมของอิเล็กตรอนมีค่าต่ำที่สุด อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดที่อยู่ไกลจากนิวเคลียสมากที่สุดมีแรงยึดเหนี่ยวน้อยที่สุดจากนิวเคลียส พลังงานศักย์ของอิเล็กตรอนมีมากที่สุด และพลังงานทั้งหมดมีมากที่สุด. . เนื่องจากอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดมีพันธะน้อยที่สุด จึงมักถูกรบกวนโดยอะตอมข้างเคียงและเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียสที่อยู่ใกล้เคียง อะตอมของโลหะจะถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นตัวเครื่องที่เป็นโลหะตามแรงที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของขดลวดซึ่งกันและกันหลังจากการรบกวนของชั้นนอกของอิเล็กตรอน เนื่องจากแรงยึดเกาะที่น้อยมาก โลหะจึงมีลักษณะของความนุ่มนวลและการเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่อถูกความร้อน
2 ตัวนำโลหะภายใต้การกระทำของแรงลอเรนซ์ (หรือแรงสนามไฟฟ้าเหนี่ยวนำ)
ถ้าตัวนำโลหะตัดเส้นแม่เหล็กของการเหนี่ยวนำในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนที่อยู่นอกแกนกลางภายในตัวนำจะตกอยู่ภายใต้แรงลอเรนซ์ และอะตอมจะถูกโพลาไรซ์ภายใต้การกระทำนี้ ส่งผลให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบโพลาไรเซชันของอะตอม แต่ไม่ว่าแรงลอเรนซ์จะยิ่งใหญ่แค่ไหน มันก็ไม่สามารถทำงานกับอิเล็กตรอนได้ เพิ่มพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน และทำให้เป็นอิสระจากพันธะของนิวเคลียส หลังจากที่อิเล็กตรอนเป็นอิสระจากพันธะของนิวเคลียสแล้ว มันก็จะยังคงทำงานต่อไป และมันจะเร่งไปในทิศทางของแรงเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า
3 ตัวนำโลหะภายใต้การกระจายแรงดันไฟฟ้าและแรงสนามไฟฟ้า
ถ้าแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายไปที่ปลายทั้งสองของตัวนำโลหะเพื่อสร้างสนามไฟฟ้ากระจายแรงดันไฟฟ้าภายในตัวนำ อิเล็กตรอนในชั้นนิวเคลียร์ด้านนอกภายในตัวนำควรจะได้รับแรงสนามไฟฟ้ากระจายแรงดันไฟฟ้าเมื่อพวกมันเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส และแรงของสนามไฟฟ้าจะทำงานเชิงบวกกับอิเล็กตรอน เพื่อเพิ่มพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนและมีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะพันธะของนิวเคลียสและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระนอกนิวเคลียส เนื่องจากมีเพียงอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดในนิวเคลียสชั้นนอกเท่านั้นที่มีพลังงานมากที่สุด เพื่อก่อให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระ จึงจำเป็นต้องเอาชนะแรงโน้มถ่วงของนิวเคลียร์และทำงานน้อยที่สุด ดังนั้นภายใต้สถานการณ์ปกติ เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปที่ปลายทั้งสองของตัวนำ จะมีเพียงอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดเท่านั้นที่สามารถออกจากนิวเคลียสและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระได้ อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจำเป็นต้องทำงานน้อยที่สุดเพื่อแยกตัวออกจากพันธะของนิวเคลียส อิเล็กตรอนอิสระหลังจากสร้างกระแสแล้วจริงๆ แล้วไม่อิสระ ในด้านหนึ่งจะได้รับผลกระทบจากแรงสนามไฟฟ้าของการกระจายแรงดันไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงสนามไฟฟ้า ในทางกลับกัน พวกมันไม่ถูกกีดขวางระหว่างการเคลื่อนไหว สำหรับอิเล็กตรอนที่มีขนาดเล็กมาก พื้นที่ภายในและภายนอกอะตอมอาจกล่าวได้ว่าค่อนข้างกว้างขวาง นิวเคลียสเปรียบเสมือนดาวฤกษ์ในอวกาศ ในขณะที่อิเล็กตรอนอิสระก็เหมือนกับดาวตกขนาดเล็กที่บินอยู่ในอวกาศจักรวาล การเปรียบเทียบนี้ไม่เหมาะสมนัก เนื่องจากดาวตกที่บินอยู่ในอวกาศอาจไม่ทำให้เกิดการต้านทานจากวัตถุอื่น แต่อิเล็กตรอนอิสระอาจมีการต้านทานได้ เนื่องจากพื้นที่ด้านนอกนิวเคลียสไม่ได้ไม่มีอะไรเลย แต่ยังโคจรรอบอิเล็กตรอนชั้นในด้วย และโลหะเหล่านี้ จำนวนอิเล็กตรอนภายในมีมากกว่าอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดที่ก่อตัวเป็นอิเล็กตรอนอิสระมาก เราอาจเรียกสิ่งกีดขวางที่เกิดจากอิเล็กตรอนภายในของอะตอมเหล่านี้ว่าก๊าซเมฆอิเล็กตรอน ก๊าซเมฆอิเล็กตรอนมีประจุลบ และอิเล็กตรอนอิสระก็มีประจุลบเช่นกัน ดังนั้น หากอิเล็กตรอนอิสระกระสวยในก๊าซเมฆอิเล็กตรอนเพื่อก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า ก็จะถูกต้านทานโดยก๊าซเมฆอิเล็กตรอน หลังจากที่กระแสคงที่เกิดขึ้น หากแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองของตัวนำถูกกำจัดออกอย่างกะทันหัน สนามไฟฟ้าภายในตัวนำจะหายไป และอิเล็กตรอนอิสระจะสูญเสียผลกระทบของแรงของสนามไฟฟ้า มีเพียงความต้านทานเท่านั้นที่กระทำต่ออิเล็กตรอน ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงชะลอตัวและความเร็วลดลงอย่างรวดเร็วจนเหลือศูนย์. . จากนั้น ภายใต้การกระทำของแรงโน้มถ่วงของนิวเคลียส มันจะกลับสู่วงโคจรที่สอดคล้องกันของชั้นนอกของนิวเคลียสเพื่อเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส
กฎของ 4 โอห์ม และกฎความต้านทาน
ในกระบวนการไหลของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากความต้านทานของก๊าซเมฆอิเล็กตรอนต่ออิเล็กตรอนอิสระทำให้เกิดอุปสรรคต่อการไหลของกระแสซึ่งทำให้เกิดความต้านทานของตัวนำด้วย ต้องสังเกตว่าความต้านทานของอิเล็กตรอนอิสระระหว่างการเคลื่อนที่ไม่เท่ากับความต้านทานของตัวนำ ความต้านทานของอิเล็กตรอนอิสระไม่ได้หมายความว่าตัวนำมีความต้านทานสูง ในทางกลับกัน ความต้านทานของตัวนำมีขนาดใหญ่ ซึ่งไม่ได้หมายความว่าความต้านทานของตัวนำจะมีขนาดใหญ่ เมื่อเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งจะมีแรงต้านทานสูง
5 การแปลงพลังงานและกฎของจูล
เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายไปที่ปลายทั้งสองข้างของตัวนำ แรงสนามไฟฟ้าจะทำงานเชิงบวกกับอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของนิวเคลียสเพื่อเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส แต่งานที่ทำโดยแรงสนามไฟฟ้าเพื่อเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสนั้นน้อยกว่างานที่ทำโดยการไหลของกระแสในระยะยาว-เพื่อเอาชนะความต้านทานของเมฆอิเล็กตรอนมาก ดังนั้นงานที่ทำเพื่อเอาชนะพันธนาการของนิวเคลียสจึงมีขนาดเล็กมากและสามารถละเลยได้
ในระหว่างการเร่งความเร็วของอิเล็กตรอนอิสระ แรงของสนามไฟฟ้ายังส่งผลเชิงบวกต่ออิเล็กตรอนด้วย แต่เนื่องจากอิเล็กตรอนมีเวลาเร่งความเร็วที่สั้นมากและการกระจัดของการเคลื่อนที่มีน้อยมาก (ไม่ได้กล่าวถึงในที่นี้) แรงของสนามไฟฟ้าจึงมีน้อยมากเช่นกันและสามารถละเลยได้ ดังนั้นหลังจากที่อิเล็กตรอนอิสระก่อตัวเป็นกระแสไฟฟ้า การสูญเสียพลังงานหลักของสนามไฟฟ้าคือการเอาชนะเมฆอิเล็กตรอนเพื่อให้ทำงานได้
6 ตัวนำที่มีพลังงานเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก
ในการวิเคราะห์ข้างต้น เมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำ มันจะเอาชนะแก๊สเมฆอิเล็กตรอนเท่านั้นจึงจะทำงานได้ สิ่งกีดขวางของก๊าซเมฆอิเล็กตรอนต่ออิเล็กตรอนอิสระจะแสดงเป็นความต้านทาน ดังนั้นตัวนำดังกล่าวจึงเรียกว่าตัวนำความต้านทานบริสุทธิ์ และวงจรที่มีตัวนำความต้านทานบริสุทธิ์เพียงตัวเดียวในวงจรเรียกว่าวงจรความต้านทานบริสุทธิ์ จากสูตรข้างต้นจะเห็นได้ว่าวงจรความต้านทานบริสุทธิ์แปลงงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน
อย่างไรก็ตาม ตัวนำที่มีพลังงานจะขึ้นอยู่กับแรงของสนามแม่เหล็ก (แรงแอมแปร์) ในสนามแม่เหล็ก ภายใต้แรงนี้ ตัวนำเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น โดยตัดเส้นแม่เหล็กของการเหนี่ยวนำ โพลาไรซ์อะตอมในตัวนำ และสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์ การก่อตัวของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ขั้วจะสร้างสนามไฟฟ้าในส่วนอื่นๆ ของตัวนำด้านนอก และสร้างความต้านทานต่ออิเล็กตรอนอิสระที่ไหลผ่าน เพื่อที่จะเอาชนะความต้านทาน กระแสจะสร้างสนามไฟฟ้ากระจายแรงดันไฟฟ้าในทิศทางเดียวกับกระแสในตัวนำ ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำ สนามไฟฟ้าที่เกิดจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะหักล้างออกไป จึงรักษาเสถียรภาพของกระแส และยังสร้างแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองด้านของตัวนำด้วย ขนาดของแรงดันไฟฟ้าจะเหมือนกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำทุกประการและมีทิศทางตรงกันข้าม
ด้วยวิธีนี้ แรงสนามไฟฟ้าการกระจายแรงดันไฟฟ้าจะต้องเอาชนะความต้านทานที่เกิดจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้ทำงานและใช้พลังงานไฟฟ้า พลังงานนี้จะถูกแปลงเป็นแรงแอมแปร์เพื่อทำงานในโลกภายนอกซึ่งปรากฏอยู่ในรูปของพลังงานกล
หากตัวนำที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กไม่ใช่ตัวนำในอุดมคติ แรงสนามไฟฟ้าไม่เพียงต้องเอาชนะแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในการทำงานเท่านั้น แต่ยังเอาชนะความต้านทานของเมฆอิเล็กตรอนในการทำงานด้วย ดังนั้นพลังงานไฟฟ้าส่วนหนึ่งจึงถูกแปลงเป็นรูปพลังงานกล และส่วนหนึ่งถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน
7 แหล่งจ่ายไฟหลังจากกระแสไหล
จะเกิดอะไรขึ้นภายในแหล่งจ่ายไฟหลังจากกระแสไหล? เนื่องจากแรงที่ไม่ใช่-ไฟฟ้าสถิตสามารถสร้างขั้วให้กับอะตอมและสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าในแหล่งจ่ายไฟได้ แรงที่ไม่ใช่-ไฟฟ้าสถิตจึงไม่สามารถทำงานกับอิเล็กตรอนได้ และไม่สามารถทำให้อิเล็กตรอนภายนอกเอาชนะพันธะของนิวเคลียสของอะตอมและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระได้ ไม่ต้องพูดถึงการเคลื่อนที่โดยตรงของอิเล็กตรอนเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า แล้วกระแสภายในแหล่งจ่ายไฟเกิดขึ้นได้อย่างไร?
ในการสร้างกระแสในแหล่งจ่ายไฟ นอกเหนือจากการทำให้อิเล็กตรอนชั้นนอกเอาชนะพันธะของนิวเคลียสแล้ว ยังจำเป็นต้องเอาชนะความต้านทานของคลาวด์อิเล็กตรอนในการทำงานอีกด้วย ไฟฟ้าสถิตที่ไม่ใช่-ไม่มีฟังก์ชันดังกล่าว ดังนั้นจึงต้องสร้างการกระจายแรงดันไฟฟ้าจากขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟไปยังขั้วบวกในแหล่งจ่ายไฟ ในสนามไฟฟ้า ชั้นนอกของอิเล็กตรอนจะสร้างกระแสภายใต้การกระทำของแรงสนามไฟฟ้านี้ และสร้างแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมภายในแหล่งจ่ายไฟ แรงดันตกคร่อมสูงกว่าศักย์ไฟฟ้าบวก นั่นคือ ทิศทางจากอิเล็กโทรดลบถึงอิเล็กโทรดบวก และทิศทางของแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟอยู่ตรงกันข้าม
