Pôsobenie elektrického prúdu: tepelné, chemické, magnetické, svetelné a mechanické

Elektrický prúd v obvode sa vždy prejavuje nejakým druhom jeho pôsobenia. Môže to byť prevádzka pri určitom zaťažení a sprievodný účinok prúdu. Pôsobením prúdu je teda možné posúdiť jeho prítomnosť alebo neprítomnosť v danom obvode: ak záťaž funguje, existuje prúd. Ak sa pozoruje typický jav sprevádzajúci prúd, v obvode je prúd atď.

Elektrický prúd je v zásade schopný vyvolať rôzne akcie: tepelné, chemické, magnetické (elektromagnetické), svetelné alebo mechanické a rôzne typy prúdových akcií sa často vyskytujú súčasne. O týchto súčasných javoch a akciách sa bude diskutovať v tomto článku.

Tepelný účinok elektrického prúdu

Keď drôtom preteká jednosmerný alebo striedavý prúd, drôt sa zahrieva. Takéto vykurovacie drôty za rôznych podmienok a aplikácií môžu byť: kovy, elektrolyty, plazma, roztavené kovy, polovodiče, polokovy.

V najjednoduchšom prípade, ak povedzme elektrický prúd prechádza nichrómovým drôtom, zahreje sa. Tento jav sa využíva vo vykurovacích zariadeniach: v rýchlovarných kanvicách, v kotloch, v ohrievačoch, elektrických sporákoch atď. Pri zváraní elektrickým oblúkom teplota elektrického oblúka zvyčajne dosahuje 7000 ° C a kov sa ľahko topí, je to tiež tepelný účinok prúdu.

Množstvo tepla uvoľneného v sekcii obvodu závisí od napätia aplikovaného na túto sekciu, hodnoty pretekajúceho prúdu a doby jeho toku (Joule-Lenzov zákon).

Keď prevediete Ohmov zákon pre časť obvodu, môžete použiť buď napätie alebo prúd na výpočet množstva tepla, ale potom musíte poznať odpor obvodu, pretože obmedzuje prúd a skutočne spôsobuje zahrievanie. Alebo ak poznáte prúd a napätie v obvode, môžete rovnako ľahko zistiť množstvo generovaného tepla.

Chemické pôsobenie elektrického prúdu

Elektrolyty obsahujúce ióny jednosmerným elektrickým prúdom elektrolyzované — toto je chemické pôsobenie prúdu. Záporné ióny (anióny) sú priťahované ku kladnej elektróde (anóde) počas elektrolýzy a kladné ióny (katióny) sú priťahované k zápornej elektróde (katóde). To znamená, že látky obsiahnuté v elektrolyte sa uvoľňujú počas elektrolýzy na elektródach zdroja prúdu.

Napríklad pár elektród je ponorený do roztoku určitej kyseliny, zásady alebo soli a keď obvodom prechádza elektrický prúd, na jednej elektróde sa vytvorí kladný náboj a na druhej záporný náboj. Ióny obsiahnuté v roztoku sa začnú ukladať na elektródu s opačným nábojom.

Napríklad pri elektrolýze síranu meďnatého (CuSO4) sa katióny medi Cu2+ s kladným nábojom presunú na záporne nabitú katódu, kde dostanú chýbajúci náboj a premenia sa na neutrálne atómy medi usadzujúce sa na povrchu elektródy. Hydroxylová skupina -OH odovzdá elektróny anóde a v dôsledku toho sa uvoľní kyslík. Kladne nabité vodíkové katióny H + a záporne nabité anióny SO42- zostanú v roztoku.

Chemické pôsobenie elektrického prúdu sa využíva v priemysle napríklad na rozklad vody na jej zložky (vodík a kyslík). Elektrolýza vám tiež umožňuje získať niektoré kovy v čistej forme. Pomocou elektrolýzy sa na povrch nanesie tenká vrstva určitého kovu (nikel, chróm) — to je všetko galvanický povlak atď.

V roku 1832 Michael Faraday zistil, že hmotnosť m látky uvoľnenej na elektróde je priamo úmerná elektrickému náboju q, ktorý prešiel elektrolytom. Ak po dobu t preteká elektrolytom jednosmerný prúd I, potom platí prvý Faradayov zákon elektrolýzy:

Tu sa súčiniteľ úmernosti k nazýva elektrochemický ekvivalent látky. Číselne sa rovná hmotnosti látky uvoľnenej pri prechode elektrického náboja cez elektrolyt a závisí od chemickej povahy látky.

Magnetické pôsobenie elektrického prúdu

V prítomnosti elektrického prúdu v akomkoľvek vodiči (v pevnom, kvapalnom alebo plynnom stave) sa okolo vodiča pozoruje magnetické pole, to znamená, že vodič s prúdom získava magnetické vlastnosti.

Ak sa teda k drôtu, ktorým preteká prúd, privedie magnet, napríklad vo forme magnetickej strelky kompasu, potom sa strelka otočí kolmo na drôt a ak drôt naviniete na železné jadro a prejdete priamym prúdom cez drôt sa jadro stane elektromagnetom.

V roku 1820 Oersted objavil magnetický účinok prúdu na magnetickú ihlu a Ampere stanovil kvantitatívne zákony magnetickej interakcie vodičov s prúdom.

Magnetické pole je vždy generované prúdom, to znamená pohyblivými elektrickými nábojmi, najmä nabitými časticami (elektróny, ióny). Opačné prúdy sa odpudzujú, jednosmerné prúdy sa priťahujú.

Takáto mechanická interakcia nastáva v dôsledku interakcie magnetických polí prúdov, to znamená, že je to predovšetkým magnetická interakcia a až potom mechanická. Primárna je teda magnetická interakcia prúdov.

V roku 1831 Faraday zistil, že meniace sa magnetické pole z jedného obvodu generuje prúd v inom obvode: generované EMF je úmerné rýchlosti zmeny magnetického toku. Je logické, že práve magnetické pôsobenie prúdov sa dodnes využíva vo všetkých transformátoroch, nielen v elektromagnetoch (napríklad v priemyselných).

Svetelný efekt elektrického prúdu

V najjednoduchšej forme možno pozorovať svetelný efekt elektrického prúdu v žiarovke, ktorej cievka sa prúdom prechádzajúcim ňou zahrieva na biele teplo a vyžaruje svetlo.

V prípade žiarovky predstavuje svetelná energia asi 5 % dodanej elektriny, zvyšných 95 % sa premení na teplo.

Fluorescenčné žiarovky efektívnejšie premieňajú súčasnú energiu na svetlo – až 20 % elektriny sa premení na viditeľné svetlo vďaka fosforu, ktorý prijíma ultrafialové žiarenie z elektrického výboja v ortuťových parách alebo v inertnom plyne, ako je neón.

Svetelný efekt elektrického prúdu sa efektívnejšie realizuje v LED diódach. Keď elektrický prúd prechádza cez pn prechod v doprednom smere, nosiče náboja - elektróny a diery - sa rekombinujú s emisiou fotónov (v dôsledku prechodu elektrónov z jednej energetickej úrovne na druhú).

Najlepšie svetelné žiariče sú polovodiče s priamou medzerou (teda tie, v ktorých sú povolené priame optické prechody), ako sú GaAs, InP, ZnSe alebo CdTe. Zmenou zloženia polovodičov je možné vyrobiť LED diódy pre všetky druhy vlnových dĺžok od ultrafialovej (GaN) po strednú infračervenú (PbS). Účinnosť LED ako svetelného zdroja dosahuje v priemere 50 %.

Mechanické pôsobenie elektrického prúdu

Ako je uvedené vyššie, každý vodič, ktorým preteká elektrický prúd, sa vytvára okolo seba magnetické pole… Magnetické pôsobenie sa mení na pohyb, napríklad v elektromotoroch, v magnetických zdvíhacích zariadeniach, v magnetických ventiloch, v relé atď.

Mechanické pôsobenie jedného prúdu na druhý popisuje Amperov zákon. Tento zákon prvýkrát zaviedol Andre Marie Ampere v roku 1820 pre jednosmerný prúd. Od Amperov zákon z toho vyplýva, že paralelné drôty s elektrickými prúdmi tečúcimi v jednom smere sa priťahujú a tie v opačných sa odpudzujú.

Ampérov zákon sa nazýva aj zákon, ktorý určuje silu, ktorou magnetické pole pôsobí na malý segment vodiča s prúdom. Sila, ktorou magnetické pole pôsobí na prvok drôtu s prúdom v magnetickom poli, je priamo úmerná prúdu v drôte a súčinu vektora prvku dĺžky drôtu a magnetickej indukcie.

Tento princíp je založený na prevádzka elektromotorov, kde rotor plní úlohu rámu s prúdom orientovaným vo vonkajšom magnetickom poli statora momentom M.