Działanie prądu elektrycznego: termiczne, chemiczne, magnetyczne, świetlne i mechaniczne

Prąd elektryczny w obwodzie zawsze objawia się jakimś rodzajem swojego działania. Może to być zarówno praca przy określonym obciążeniu, jak i towarzyszący temu efekt prądu. Tak więc na podstawie działania prądu można ocenić jego obecność lub brak w danym obwodzie: jeśli obciążenie działa, jest prąd. Jeżeli obserwuje się typowe zjawisko towarzyszące prądowi, to w obwodzie płynie prąd itp.

Zasadniczo prąd elektryczny może wywoływać różne działania: termiczne, chemiczne, magnetyczne (elektromagnetyczne), świetlne lub mechaniczne, a różne rodzaje prądów często występują jednocześnie. Te obecne zjawiska i działania zostaną omówione w tym artykule.

Efekt cieplny prądu elektrycznego

Kiedy prąd stały lub przemienny przepływa przez drut, drut się nagrzewa. Takimi drutami grzejnymi w różnych warunkach i zastosowaniach mogą być: metale, elektrolity, plazma, stopione metale, półprzewodniki, półmetale.

W najprostszym przypadku, jeśli, powiedzmy, prąd elektryczny przepływa przez drut nichromowy, nagrzeje się. Zjawisko to jest wykorzystywane w urządzeniach grzewczych: w czajnikach elektrycznych, w bojlerach, w grzejnikach, kuchenkach elektrycznych itp. W spawaniu łukiem elektrycznym temperatura łuku elektrycznego zwykle osiąga 7000 ° C, a metal łatwo się topi, jest to również efekt cieplny prądu.

Ilość ciepła uwalnianego w odcinku obwodu zależy od napięcia przyłożonego do tego odcinka, wartości przepływającego prądu i czasu jego przepływu (Prawo Joule'a-Lenza).

Po przekształceniu prawa Ohma dla odcinka obwodu możesz użyć napięcia lub prądu do obliczenia ilości ciepła, ale wtedy musisz znać rezystancję obwodu, ponieważ ogranicza ona prąd i faktycznie powoduje nagrzewanie. Albo znając prąd i napięcie w obwodzie, możesz równie łatwo znaleźć ilość wytwarzanego ciepła.

Działanie chemiczne prądu elektrycznego

Elektrolity zawierające jony przez bezpośredni prąd elektryczny elektrolizowany — to działanie chemiczne prądu. Jony ujemne (aniony) są przyciągane do elektrody dodatniej (anody) podczas elektrolizy, a jony dodatnie (kationy) są przyciągane do elektrody ujemnej (katody). Oznacza to, że substancje zawarte w elektrolicie są uwalniane podczas elektrolizy na elektrodach źródła prądu.

Na przykład para elektrod jest zanurzona w roztworze pewnego kwasu, zasady lub soli, a gdy prąd elektryczny przepływa przez obwód, na jednej elektrodzie powstaje ładunek dodatni, a na drugiej ładunek ujemny. Zawarte w roztworze jony zaczynają osadzać się na elektrodzie z odwrotnym ładunkiem.

Na przykład podczas elektrolizy siarczanu miedzi (CuSO4) kationy miedzi Cu2 + o ładunku dodatnim przemieszczają się do ujemnie naładowanej katody, gdzie otrzymują brakujący ładunek i zamieniają się w neutralne atomy miedzi, osadzając się na powierzchni elektrody. Grupa hydroksylowa -OH przekaże elektrony anodzie, w wyniku czego zostanie uwolniony tlen. Dodatnio naładowane kationy wodorowe H + i ujemnie naładowane aniony SO42- pozostaną w roztworze.

Działanie chemiczne prądu elektrycznego jest wykorzystywane w przemyśle np. do rozbijania wody na jej części składowe (wodór i tlen). Ponadto elektroliza pozwala uzyskać niektóre metale w ich czystej postaci. Za pomocą elektrolizy na powierzchnię nakładana jest cienka warstwa pewnego metalu (niklu, chromu) — to wszystko powłoka galwaniczna itp.

W 1832 roku Michael Faraday ustalił, że masa m substancji uwolnionej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego q, który przeszedł przez elektrolit. Jeśli prąd stały I przepływa przez elektrolit przez czas t, to obowiązuje pierwsze prawo elektrolizy Faradaya:

Tutaj współczynnik proporcjonalności k nazywany jest elektrochemicznym równoważnikiem substancji. Jest liczbowo równa masie substancji uwalnianej, gdy ładunek elektryczny przechodzi przez elektrolit i zależy od chemicznego charakteru substancji.

Magnetyczne działanie prądu elektrycznego

W obecności prądu elektrycznego w dowolnym przewodniku (w stanie stałym, ciekłym lub gazowym) wokół przewodnika obserwuje się pole magnetyczne, to znaczy przewodnik przewodzący prąd nabywa właściwości magnetyczne.

Jeśli więc magnes zostanie przyłożony do drutu, przez który płynie prąd, na przykład w postaci magnetycznej igły kompasu, to igła obróci się prostopadle do drutu, a jeśli nawiniesz drut na żelazny rdzeń i przejdziesz przez prąd przez drut, rdzeń stanie się elektromagnesem.

W 1820 roku Oersted odkrył magnetyczny wpływ prądu na igłę magnetyczną, a Ampere ustalił ilościowe prawa oddziaływania magnetycznego drutów przewodzących prąd.

Pole magnetyczne jest zawsze generowane przez prąd, czyli poruszające się ładunki elektryczne, w szczególności — naładowane cząstki (elektrony, jony). Prądy przeciwne odpychają się, prądy jednokierunkowe przyciągają.

Taka interakcja mechaniczna zachodzi w wyniku oddziaływania pól magnetycznych prądów, to znaczy jest to przede wszystkim interakcja magnetyczna, a dopiero potem - mechaniczna. Zatem oddziaływanie magnetyczne prądów jest pierwotne.

W 1831 roku Faraday odkrył, że zmieniające się pole magnetyczne z jednego obwodu generuje prąd w innym obwodzie: generowane pole elektromagnetyczne jest proporcjonalne do szybkości zmian strumienia magnetycznego. Logiczne jest, że to magnetyczne działanie prądów jest stosowane do dziś we wszystkich transformatorach, nie tylko w elektromagnesach (na przykład w przemysłowych).

Efekt świetlny prądu elektrycznego

W najprostszej formie efekt świetlny prądu elektrycznego można zaobserwować w żarówce, której cewka jest podgrzewana przez przepływający przez nią prąd do białego ciepła i emituje światło.

W przypadku lampy żarowej energia świetlna stanowi około 5% dostarczonej energii elektrycznej, z czego pozostałe 95% jest przekształcane w ciepło.

Lampy fluorescencyjne wydajniej przekształcają energię elektryczną w światło — do 20% energii elektrycznej jest przekształcane w światło widzialne dzięki luminoforom, które odbierają promieniowanie ultrafioletowe z wyładowania elektrycznego w oparach rtęci lub w gazie obojętnym, takim jak neon.

Efekt świetlny prądu elektrycznego jest realizowany efektywniej w diodach LED. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez złącze pn w kierunku do przodu, nośniki ładunku — elektrony i dziury — rekombinują z emisją fotonów (w wyniku przejścia elektronów z jednego poziomu energetycznego na drugi).

Najlepszymi emiterami światła są półprzewodniki z bezpośrednią przerwą (czyli takie, w których dozwolone są bezpośrednie przejścia optyczne), takie jak GaAs, InP, ZnSe lub CdTe. Zmieniając skład półprzewodników, można wytwarzać diody LED dla wszystkich rodzajów długości fal, od ultrafioletu (GaN) do średniej podczerwieni (PbS). Sprawność diody LED jako źródła światła sięga średnio 50%.

Mechaniczne działanie prądu elektrycznego

Jak wspomniano powyżej, każdy przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny, tworzy się wokół siebie pole magnetyczne… Oddziaływania magnetyczne są przekształcane w ruch, na przykład w silnikach elektrycznych, w magnetycznych urządzeniach podnoszących, w zaworach magnetycznych, w przekaźnikach itp.

Mechaniczne oddziaływanie jednego prądu na drugi opisuje prawo Ampera. Prawo to zostało po raz pierwszy ustanowione przez Andre Marie Ampere w 1820 roku dla prądu stałego. Z Prawo Ampere'a wynika z tego, że równoległe przewody, w których płynie prąd elektryczny w jednym kierunku, przyciągają się, a te w przeciwnych kierunkach odpychają.

Prawo Ampera jest również nazywane prawem, które określa siłę, z jaką pole magnetyczne działa na mały odcinek przewodnika z prądem. Siła, z jaką pole magnetyczne działa na element przewodu z prądem w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu w przewodzie i iloczynu elementów wektora długości przewodu i indukcji magnetycznej.

Zasada ta opiera się na działanie silników elektrycznych, gdzie wirnik pełni rolę ramy z prądem zorientowanym w zewnętrznym polu magnetycznym stojana momentem M.