Verkningar av elektrisk ström: termisk, kemisk, magnetisk, lätt och mekanisk

Elektrisk ström i en krets visar sig alltid genom någon form av dess verkan. Detta kan vara både drift vid en viss belastning och den åtföljande effekten av strömmen. Således, genom strömmens verkan, kan dess närvaro eller frånvaro i en given krets bedömas: om belastningen fungerar, finns det ström. Om ett typiskt fenomen som följer med strömmen observeras, finns det en ström i kretsen etc.

I princip kan elektrisk ström orsaka olika handlingar: termiska, kemiska, magnetiska (elektromagnetiska), lätta eller mekaniska, och olika typer av strömpåverkan inträffar ofta samtidigt. Dessa aktuella fenomen och åtgärder kommer att diskuteras i den här artikeln.

Termisk effekt av elektrisk ström

När likström eller växelström flyter genom en tråd värms tråden upp. Sådana värmetrådar under olika förhållanden och applikationer kan vara: metaller, elektrolyter, plasma, smälta metaller, halvledare, halvmetaller.

I det enklaste fallet, om, säg, en elektrisk ström passerar genom en nikromtråd, kommer den att värmas upp. Detta fenomen används i värmeanordningar: i vattenkokare, i pannor, i värmare, elektriska spisar, etc. Vid elektrisk bågsvetsning når temperaturen på ljusbågen vanligtvis 7000 ° C, och metallen smälter lätt, detta är också en värmeeffekt av strömmen.

Mängden värme som frigörs i sektionen av kretsen beror på spänningen som appliceras på denna sektion, värdet på strömmen som flyter och tiden för dess flöde (Joule-Lenz lagen).

När du har konverterat Ohms lag för en kretssektion kan du använda antingen spänning eller ström för att beräkna mängden värme, men då måste du känna till resistansen i kretsen eftersom den begränsar strömmen och faktiskt orsakar uppvärmning. Eller, genom att känna till strömmen och spänningen i en krets, kan du lika enkelt hitta mängden värme som genereras.

Kemisk verkan av elektrisk ström

Elektrolyter som innehåller joner genom likström elektrolyserad — detta är strömmens kemiska verkan. Negativa joner (anjoner) attraheras till den positiva elektroden (anod) under elektrolys, och positiva joner (katjoner) attraheras till den negativa elektroden (katoden). Det vill säga att ämnena som finns i elektrolyten frigörs under elektrolys vid strömkällans elektroder.

Till exempel är ett par elektroder nedsänkt i en lösning av en viss syra, alkali eller salt, och när en elektrisk ström passerar genom kretsen skapas en positiv laddning på en elektrod och en negativ laddning på den andra. Jonerna som finns i lösningen börjar avsättas på elektroden med en omvänd laddning.

Till exempel, under elektrolysen av kopparsulfat (CuSO4), flyttar kopparkatjoner Cu2 + med en positiv laddning till den negativt laddade katoden, där de tar emot den saknade laddningen och förvandlas till neutrala kopparatomer, som sätter sig på elektrodens yta. Hydroxylgruppen -OH kommer att donera elektroner till anoden och syre kommer att frigöras som ett resultat. De positivt laddade vätekatjonerna H+ och de negativt laddade SO42-anjonerna kommer att förbli i lösning.

Den kemiska verkan av en elektrisk ström används inom industrin, till exempel för att bryta ner vatten till dess beståndsdelar (väte och syre). Dessutom låter elektrolys dig få några metaller i sin rena form. Med hjälp av elektrolys appliceras ett tunt lager av en viss metall (nickel, krom) på ytan — det är det galvanisk beläggning etc.

1832 slog Michael Faraday fast att massan m av ämnet som frigörs vid elektroden är direkt proportionell mot den elektriska laddningen q som passerade genom elektrolyten. Om en likström I flyter genom elektrolyten under tiden t, gäller Faradays första elektrolyslag:

Här kallas proportionalitetsfaktorn k för ämnets elektrokemiska ekvivalent. Det är numeriskt lika med massan av ett ämne som frigörs när en elektrisk laddning passerar genom elektrolyten, och beror på ämnets kemiska natur.

Magnetisk verkan av elektrisk ström

I närvaro av en elektrisk ström i vilken ledare som helst (i fast, flytande eller gasformigt tillstånd) observeras ett magnetfält runt ledaren, det vill säga den strömförande ledaren får magnetiska egenskaper.

Så om en magnet förs till tråden genom vilken strömmen flyter, till exempel i form av en magnetisk kompassnål, så kommer nålen att vända sig vinkelrätt mot tråden, och om du lindar tråden på en järnkärna och passerar en direkt ström genom tråden kommer kärnan att bli elektromagnet.

År 1820 upptäckte Oersted den magnetiska effekten av ström på en magnetisk nål, och Ampere etablerade de kvantitativa lagarna för den magnetiska interaktionen av strömförande ledningar.

Magnetfältet genereras alltid av ström, det vill säga rörliga elektriska laddningar, i synnerhet laddade partiklar (elektroner, joner). Motsatta strömmar stöter bort varandra, enkelriktade strömmar attraherar varandra.

En sådan mekanisk interaktion uppstår på grund av interaktionen av magnetiska fält av strömmar, det vill säga det är först och främst en magnetisk interaktion, och först då - mekanisk. Således är den magnetiska interaktionen av strömmarna primär.

År 1831 fann Faraday att ett förändrat magnetfält från en krets genererar en ström i en annan krets: den genererade EMF är proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet. Det är logiskt att det är den magnetiska verkan av strömmar som används till denna dag i alla transformatorer, inte bara i elektromagneter (till exempel i industriella sådana).

Ljuseffekt av elektrisk ström

I sin enklaste form kan den lysande effekten av en elektrisk ström observeras i en glödlampa, vars spole upphettas av strömmen som passerar genom den till vit värme och avger ljus.

För en glödlampa utgör ljusenergin cirka 5 % av den levererade elen, varav resterande 95 % omvandlas till värme.

Lysrör omvandlar mer effektivt nuvarande energi till ljus — upp till 20 % av elektriciteten omvandlas till synligt ljus tack vare fosfor som tar emot ultraviolett strålning från en elektrisk urladdning i kvicksilverånga eller i en inert gas som neon.

Ljuseffekten av elektrisk ström realiseras mer effektivt i lysdioder. När en elektrisk ström passerar genom pn-övergången i framåtriktningen, rekombinerar laddningsbärarna – elektroner och hål – med emission av fotoner (på grund av övergången av elektroner från en energinivå till en annan).

De bästa ljussändare är halvledare med direktgap (det vill säga de där direkta optiska övergångar är tillåtna), såsom GaAs, InP, ZnSe eller CdTe. Genom att ändra sammansättningen av halvledarna kan lysdioder tillverkas för alla typer av våglängder från ultraviolett (GaN) till mellaninfrarött (PbS). Effektiviteten hos LED som ljuskälla når i genomsnitt 50 %.

Mekanisk verkan av elektrisk ström

Som noterats ovan bildas varje ledare genom vilken en elektrisk ström flyter runt sig själv magnetiskt fält… Magnetiska handlingar omvandlas till rörelse, till exempel i elmotorer, i magnetiska lyftanordningar, i magnetventiler, i reläer, etc.

Den mekaniska verkan av en ström på en annan beskrivs av Amperes lag. Denna lag upprättades först av Andre Marie Ampere 1820 för likström. Från Amperes lag det följer att parallella ledningar med elektriska strömmar som flyter i en riktning attraherar och de i motsatta riktningar stöter bort.

Amperes lag kallas också den lag som bestämmer med vilken kraft ett magnetfält verkar på ett litet segment av en strömförande ledare. Den kraft med vilken ett magnetfält verkar på ett element i en strömförande tråd i ett magnetfält är direkt proportionell mot strömmen i tråden och elementvektorprodukten av trådens längd och den magnetiska induktionen.

Denna princip bygger på drift av elmotorer, där rotorn spelar rollen som en ram med en ström orienterad i statorns yttre magnetfält av vridmomentet M.