Δράσεις ηλεκτρικού ρεύματος: θερμικές, χημικές, μαγνητικές, ελαφριές και μηχανικές

Το ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα κύκλωμα εκδηλώνεται πάντα μέσω κάποιου είδους δράσης του. Αυτό μπορεί να είναι τόσο λειτουργία σε ένα ορισμένο φορτίο όσο και η συνακόλουθη επίδραση του ρεύματος. Έτσι, με τη δράση του ρεύματος, μπορεί να κριθεί η παρουσία ή η απουσία του σε ένα δεδομένο κύκλωμα: εάν το φορτίο λειτουργεί, υπάρχει ρεύμα. Εάν παρατηρηθεί ένα τυπικό φαινόμενο που συνοδεύει το ρεύμα, υπάρχει ρεύμα στο κύκλωμα κ.λπ.

Κατ 'αρχήν, το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να προκαλέσει διαφορετικές δράσεις: θερμικές, χημικές, μαγνητικές (ηλεκτρομαγνητικές), ελαφριές ή μηχανικές και διαφορετικοί τύποι ενεργειών ρεύματος συχνά συμβαίνουν ταυτόχρονα. Αυτά τα τρέχοντα φαινόμενα και ενέργειες θα συζητηθούν σε αυτό το άρθρο.

Θερμική επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος

Όταν το συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει μέσα από ένα καλώδιο, το καλώδιο θερμαίνεται. Τέτοια καλώδια θέρμανσης υπό διαφορετικές συνθήκες και εφαρμογές μπορεί να είναι: μέταλλα, ηλεκτρολύτες, πλάσμα, λιωμένα μέταλλα, ημιαγωγοί, ημιμέταλλα.

Στην απλούστερη περίπτωση, εάν, ας πούμε, ένα ηλεκτρικό ρεύμα περάσει μέσα από ένα σύρμα νιχρώμου, θα θερμανθεί. Το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιείται σε συσκευές θέρμανσης: σε ηλεκτρικούς βραστήρες, σε λέβητες, σε θερμάστρες, ηλεκτρικές σόμπες κ.λπ. Στη συγκόλληση με ηλεκτρικό τόξο, η θερμοκρασία του ηλεκτρικού τόξου συνήθως φτάνει τους 7000 ° C και το μέταλλο λιώνει εύκολα, αυτό είναι επίσης μια επίδραση θερμότητας του ρεύματος.

Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στο τμήμα του κυκλώματος εξαρτάται από την τάση που εφαρμόζεται σε αυτό το τμήμα, την τιμή του ρεύματος που ρέει και τον χρόνο ροής του (Ο νόμος Joule-Lenz).

Αφού μετατρέψετε τον νόμο του Ohm για ένα τμήμα του κυκλώματος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε είτε τάση είτε ρεύμα για να υπολογίσετε την ποσότητα της θερμότητας, αλλά στη συνέχεια πρέπει να γνωρίζετε την αντίσταση του κυκλώματος επειδή περιορίζει το ρεύμα και προκαλεί στην πραγματικότητα θέρμανση. Ή, γνωρίζοντας το ρεύμα και την τάση σε ένα κύκλωμα, μπορείτε εξίσου εύκολα να βρείτε την ποσότητα της θερμότητας που παράγεται.

Χημική δράση ηλεκτρικού ρεύματος

Ηλεκτρολύτες που περιέχουν ιόντα με συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα ηλεκτρολυμένο — αυτή είναι η χημική δράση του ρεύματος. Τα αρνητικά ιόντα (ανιόντα) έλκονται από το θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) κατά την ηλεκτρόλυση και τα θετικά ιόντα (κατιόντα) έλκονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος). Δηλαδή, οι ουσίες που περιέχονται στον ηλεκτρολύτη απελευθερώνονται κατά την ηλεκτρόλυση στα ηλεκτρόδια της πηγής ρεύματος.

Για παράδειγμα, ένα ζεύγος ηλεκτροδίων βυθίζεται σε ένα διάλυμα συγκεκριμένου οξέος, αλκαλίου ή άλατος και όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το κύκλωμα, δημιουργείται ένα θετικό φορτίο στο ένα ηλεκτρόδιο και ένα αρνητικό φορτίο στο άλλο. Τα ιόντα που περιέχονται στο διάλυμα αρχίζουν να εναποτίθενται στο ηλεκτρόδιο με αντίστροφη φόρτιση.

Για παράδειγμα, κατά την ηλεκτρόλυση του θειικού χαλκού (CuSO4), τα κατιόντα χαλκού Cu2 + με θετικό φορτίο μετακινούνται στην αρνητικά φορτισμένη κάθοδο, όπου λαμβάνουν το φορτίο που λείπει και μετατρέπονται σε ουδέτερα άτομα χαλκού, καθιζάνοντας στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Η ομάδα υδροξυλίου -ΟΗ θα δώσει ηλεκτρόνια στην άνοδο και ως αποτέλεσμα θα απελευθερωθεί οξυγόνο. Τα θετικά φορτισμένα κατιόντα υδρογόνου H + και τα αρνητικά φορτισμένα ανιόντα SO42- θα παραμείνουν σε διάλυμα.

Η χημική δράση ενός ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιείται στη βιομηχανία, για παράδειγμα, για τη διάσπαση του νερού στα συστατικά μέρη του (υδρογόνο και οξυγόνο). Επίσης, η ηλεκτρόλυση σας επιτρέπει να αποκτήσετε ορισμένα μέταλλα στην καθαρή τους μορφή. Με τη βοήθεια της ηλεκτρόλυσης, ένα λεπτό στρώμα από ένα συγκεκριμένο μέταλλο (νικέλιο, χρώμιο) εφαρμόζεται στην επιφάνεια — αυτό είναι γαλβανική επίστρωση και τα λοιπά.

Το 1832, ο Michael Faraday διαπίστωσε ότι η μάζα m της ουσίας που απελευθερώνεται στο ηλεκτρόδιο είναι ευθέως ανάλογη με το ηλεκτρικό φορτίο q που διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη. Εάν ένα συνεχές ρεύμα I ρέει μέσω του ηλεκτρολύτη για το χρόνο t, τότε ισχύει ο πρώτος νόμος της ηλεκτρόλυσης του Faraday:

Εδώ ο συντελεστής αναλογικότητας k ονομάζεται ηλεκτροχημικό ισοδύναμο της ουσίας. Είναι αριθμητικά ίσο με τη μάζα μιας ουσίας που απελευθερώνεται όταν ένα ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από τον ηλεκτρολύτη και εξαρτάται από τη χημική φύση της ουσίας.

Μαγνητική δράση ηλεκτρικού ρεύματος

Με την παρουσία ηλεκτρικού ρεύματος σε οποιονδήποτε αγωγό (σε στερεή, υγρή ή αέρια κατάσταση), παρατηρείται μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό, δηλαδή ο αγωγός που μεταφέρει ρεύμα αποκτά μαγνητικές ιδιότητες.

Έτσι, εάν ένας μαγνήτης φέρει στο σύρμα μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα, για παράδειγμα με τη μορφή βελόνας μαγνητικής πυξίδας, τότε η βελόνα θα στρίψει κάθετα στο σύρμα και αν τυλίγετε το καλώδιο σε έναν πυρήνα σιδήρου και περάσετε απευθείας ρεύμα μέσω του σύρματος, ο πυρήνας θα γίνει ηλεκτρομαγνήτης.

Το 1820, ο Oersted ανακάλυψε τη μαγνητική επίδραση του ρεύματος σε μια μαγνητική βελόνα και ο Ampere καθιέρωσε τους ποσοτικούς νόμους της μαγνητικής αλληλεπίδρασης των συρμάτων που μεταφέρουν ρεύμα.

Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται πάντα από ρεύμα, δηλαδή κινούμενα ηλεκτρικά φορτία, ιδίως φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια, ιόντα). Τα αντίθετα ρεύματα απωθούν το ένα το άλλο, τα μονοκατευθυντικά ρεύματα ελκύουν το ένα το άλλο.

Μια τέτοια μηχανική αλληλεπίδραση συμβαίνει λόγω της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών πεδίων των ρευμάτων, δηλαδή, είναι πρώτα απ 'όλα μια μαγνητική αλληλεπίδραση και μόνο τότε - μηχανική. Έτσι, η μαγνητική αλληλεπίδραση των ρευμάτων είναι πρωταρχική.

Το 1831, ο Faraday διαπίστωσε ότι ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο από ένα κύκλωμα δημιουργεί ρεύμα σε ένα άλλο κύκλωμα: το EMF που δημιουργείται είναι ανάλογο με το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής. Είναι λογικό ότι είναι η μαγνητική δράση των ρευμάτων που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα σε όλους τους μετασχηματιστές, όχι μόνο σε ηλεκτρομαγνήτες (για παράδειγμα, σε βιομηχανικούς).

Φωτεινή επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος

Στην απλούστερη μορφή του, η φωτεινή επίδραση ενός ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να παρατηρηθεί σε έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως, το πηνίο του οποίου θερμαίνεται από το ρεύμα που διέρχεται από αυτόν σε λευκή θερμότητα και εκπέμπει φως.

Για έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως, η φωτεινή ενέργεια αντιπροσωπεύει περίπου το 5% της παραδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, το υπόλοιπο 95% της οποίας μετατρέπεται σε θερμότητα.

Οι λαμπτήρες φθορισμού μετατρέπουν αποτελεσματικότερα την τρέχουσα ενέργεια σε φως — έως και 20% της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε ορατό φως χάρη στους φωσφόρους που λαμβάνουν υπεριωδης ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ από ηλεκτρική εκκένωση σε ατμούς υδραργύρου ή σε αδρανές αέριο όπως το νέον.

Η φωτεινή επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος πραγματοποιείται πιο αποτελεσματικά στα LED. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από τη διασταύρωση pn προς τα εμπρός, οι φορείς φορτίου - ηλεκτρόνια και οπές - ανασυνδυάζονται με την εκπομπή φωτονίων (λόγω της μετάβασης των ηλεκτρονίων από το ένα ενεργειακό επίπεδο στο άλλο).

Οι καλύτεροι εκπομποί φωτός είναι οι ημιαγωγοί με άμεσο διάκενο (δηλαδή, αυτοί στους οποίους επιτρέπονται οι άμεσες οπτικές μεταβάσεις), όπως τα GaAs, InP, ZnSe ή CdTe. Αλλάζοντας τη σύνθεση των ημιαγωγών, μπορούν να κατασκευαστούν LED για όλα τα είδη μηκών κύματος από το υπεριώδες (GaN) έως το μέσο υπέρυθρο (PbS). Η απόδοση του LED ως πηγής φωτός φτάνει κατά μέσο όρο το 50%.

Μηχανική δράση ηλεκτρικού ρεύματος

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, κάθε αγωγός μέσω του οποίου ρέει ηλεκτρικό ρεύμα σχηματίζεται γύρω του μαγνητικό πεδίο… Οι μαγνητικές ενέργειες μετατρέπονται σε κίνηση, για παράδειγμα σε ηλεκτρικούς κινητήρες, σε μαγνητικές ανυψωτικές συσκευές, σε μαγνητικές βαλβίδες, σε ρελέ κ.λπ.

Η μηχανική δράση ενός ρεύματος σε ένα άλλο περιγράφεται από το νόμο του Ampere. Αυτός ο νόμος θεσπίστηκε για πρώτη φορά από τον Andre Marie Ampere το 1820 για το συνεχές ρεύμα. Από Νόμος του Ampere έπεται ότι παράλληλα σύρματα με ηλεκτρικά ρεύματα που ρέουν προς μία κατεύθυνση έλκονται και αυτά σε αντίθετες κατευθύνσεις απωθούνται.

Ο νόμος του Ampere ονομάζεται επίσης νόμος που καθορίζει τη δύναμη με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο ενεργεί σε ένα μικρό τμήμα ενός αγωγού που μεταφέρει ρεύμα. Η δύναμη με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα στοιχείο ενός σύρματος μεταφοράς ρεύματος σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα στο σύρμα και το διανυσματικό γινόμενο στοιχείου του μήκους του σύρματος και της μαγνητικής επαγωγής.

Αυτή η αρχή βασίζεται σε λειτουργία ηλεκτροκινητήρων, όπου ο ρότορας παίζει το ρόλο ενός πλαισίου με ρεύμα προσανατολισμένο στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο του στάτορα από τη ροπή M.