Acțiunile curentului electric: termice, chimice, magnetice, ușoare și mecanice

Curentul electric dintr-un circuit se manifestă întotdeauna printr-un fel de acțiune. Aceasta poate fi atât funcționarea la o anumită sarcină, cât și efectul concomitent al curentului. Astfel, prin acțiunea curentului se poate aprecia prezența sau absența acestuia într-un circuit dat: dacă sarcina funcționează, există curent. Dacă se observă un fenomen tipic care însoțește curentul, există un curent în circuit etc.

În principiu, curentul electric este capabil să provoace acțiuni diferite: termice, chimice, magnetice (electromagnetice), ușoare sau mecanice, iar diferite tipuri de acțiuni ale curentului apar adesea simultan. Aceste fenomene și acțiuni curente vor fi discutate în acest articol.

Efectul termic al curentului electric

Când curentul continuu sau alternativ trece printr-un fir, acesta se încălzește. Astfel de fire de încălzire în diferite condiții și aplicații pot fi: metale, electroliți, plasmă, metale topite, semiconductori, semimetale.

În cel mai simplu caz, dacă, să zicem, un curent electric trece printr-un fir de nicrom, acesta se va încălzi. Acest fenomen este utilizat în aparatele de încălzire: în ceainice electrice, în cazane, în încălzitoare, sobe electrice etc. În sudarea cu arc electric, temperatura arcului electric ajunge de obicei la 7000 ° C, iar metalul se topește ușor, acesta este și un efect de căldură al curentului.

Cantitatea de căldură eliberată în secțiunea circuitului depinde de tensiunea aplicată acestei secțiuni, de valoarea curentului care curge și de timpul curgerii acestuia (Legea Joule-Lenz).

Odată ce ați convertit legea lui Ohm pentru o secțiune a circuitului, puteți utiliza fie tensiunea, fie curentul pentru a calcula cantitatea de căldură, dar apoi trebuie să cunoașteți rezistența circuitului, deoarece limitează curentul și de fapt provoacă încălzire. Sau, cunoscând curentul și tensiunea dintr-un circuit, puteți găsi la fel de ușor cantitatea de căldură generată.

Acțiunea chimică a curentului electric

Electroliți care conțin ioni prin curent electric continuu electrolizat — aceasta este acțiunea chimică a curentului. Ionii negativi (anionii) sunt atrași de electrodul pozitiv (anod) în timpul electrolizei, iar ionii pozitivi (cationii) sunt atrași de electrodul negativ (catod). Adică, substanțele conținute în electrolit sunt eliberate în timpul electrolizei la electrozii sursei de curent.

De exemplu, o pereche de electrozi este scufundată într-o soluție dintr-un anumit acid, alcali sau sare, iar atunci când un curent electric trece prin circuit, se creează o sarcină pozitivă pe un electrod și o sarcină negativă pe celălalt. Ionii conținuți în soluție încep să se depună pe electrod cu încărcare inversă.

De exemplu, în timpul electrolizei sulfatului de cupru (CuSO4), cationii de cupru Cu2 + cu sarcină pozitivă se deplasează la catodul încărcat negativ, unde primesc sarcina lipsă și se transformă în atomi de cupru neutri, depunându-se pe suprafața electrodului. Gruparea hidroxil -OH va dona electroni anodului și, ca rezultat, va fi eliberat oxigen. Cationii de hidrogen H + încărcați pozitiv și anionii SO42- încărcați negativ vor rămâne în soluție.

Acțiunea chimică a unui curent electric este utilizată în industrie, de exemplu, pentru a descompune apa în părțile sale componente (hidrogen și oxigen). De asemenea, electroliza vă permite să obțineți unele metale în forma lor pură. Cu ajutorul electrolizei, un strat subțire de un anumit metal (nichel, crom) este aplicat pe suprafață - asta este acoperire galvanică etc.

În 1832, Michael Faraday a stabilit că masa m a substanței eliberate la electrod este direct proporțională cu sarcina electrică q care a trecut prin electrolit. Dacă un curent continuu I trece prin electrolit pentru timpul t, atunci se aplică prima lege a electrolizei a lui Faraday:

Aici factorul de proporționalitate k se numește echivalentul electrochimic al substanței. Este numeric egal cu masa unei substanțe eliberată atunci când o sarcină electrică trece prin electrolit și depinde de natura chimică a substanței.

Acțiunea magnetică a curentului electric

În prezența unui curent electric în orice conductor (în stare solidă, lichidă sau gazoasă), în jurul conductorului se observă un câmp magnetic, adică conductorul purtător de curent capătă proprietăți magnetice.

Deci, dacă un magnet este adus la firul prin care curge curentul, de exemplu sub forma unui ac de busolă magnetică, atunci acul se va întoarce perpendicular pe fir, iar dacă înfășurați firul pe un miez de fier și treceți direct curent prin fir, miezul va deveni electromagnet.

În 1820, Oersted a descoperit efectul magnetic al curentului asupra unui ac magnetic, iar Ampere a stabilit legile cantitative ale interacțiunii magnetice a firelor purtătoare de curent.

Câmpul magnetic este întotdeauna generat de curent, adică de sarcini electrice în mișcare, în special - particule încărcate (electroni, ioni). Curenții opuși se resping reciproc, curenții unidirecționali se atrag reciproc.

O astfel de interacțiune mecanică are loc datorită interacțiunii câmpurilor magnetice ale curenților, adică este în primul rând o interacțiune magnetică și numai apoi - mecanică. Astfel, interacțiunea magnetică a curenților este primară.

În 1831, Faraday a descoperit că un câmp magnetic în schimbare dintr-un circuit generează un curent într-un alt circuit: EMF generat este proporțional cu rata de schimbare a fluxului magnetic. Este logic că acțiunea magnetică a curenților este folosită până în zilele noastre în toate transformatoarele, nu numai în electromagneți (de exemplu, în cei industriali).

Efectul de lumină al curentului electric

În forma sa cea mai simplă, efectul luminos al unui curent electric poate fi observat într-o lampă cu incandescență, a cărei bobină este încălzită de curentul care trece prin ea la căldură albă și emite lumină.

Pentru o lampă cu incandescență, energia luminii reprezintă aproximativ 5% din energia electrică livrată, restul de 95% din care este transformată în căldură.

Lămpile fluorescente transformă mai eficient energia curentă în lumină - până la 20% din electricitate este transformată în lumină vizibilă datorită fosforilor care primesc radiații ultraviolete de la o descărcare electrică în vapori de mercur sau într-un gaz inert, cum ar fi neonul.

Efectul de lumină al curentului electric este realizat mai eficient în LED-uri. Când un curent electric trece prin joncțiunea pn în direcția înainte, purtătorii de sarcină — electroni și găuri — se recombină cu emisia de fotoni (datorită trecerii electronilor de la un nivel de energie la altul).

Cei mai buni emițători de lumină sunt semiconductori cu spațiu direct (adică cei în care sunt permise tranziții optice directe), cum ar fi GaAs, InP, ZnSe sau CdTe. Prin modificarea compoziției semiconductorilor, LED-urile pot fi realizate pentru toate tipurile de lungimi de undă de la ultraviolet (GaN) până la infraroșu mediu (PbS). Eficiența LED-ului ca sursă de lumină atinge o medie de 50%.

Acțiunea mecanică a curentului electric

După cum sa menționat mai sus, orice conductor prin care curge un curent electric se formează în jurul său camp magnetic… Acțiunile magnetice sunt transformate în mișcare, de exemplu în motoare electrice, în dispozitive magnetice de ridicare, în supape magnetice, în relee etc.

Acțiunea mecanică a unui curent asupra altuia este descrisă de legea lui Ampere. Această lege a fost stabilită pentru prima dată de Andre Marie Ampere în 1820 pentru curent continuu. Din Legea lui Ampere rezultă că firele paralele cu curenți electrici care circulă într-o direcție se atrag și cele din direcții opuse se resping.

Legea lui Ampere se mai numește și legea care determină forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unui segment mic al unui conductor purtător de curent. Forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unui element dintr-un fir purtător de curent într-un câmp magnetic este direct proporțională cu curentul din fir și produsul vector al elementului dintre lungimea firului și inducția magnetică.

Acest principiu se bazează pe funcţionarea motoarelor electrice, unde rotorul joacă rolul unui cadru cu un curent orientat în câmpul magnetic extern al statorului de cuplul M.