Az elektromos áram hatásai: termikus, kémiai, mágneses, fény és mechanikai

Az áramkörben lévő elektromos áram mindig valamilyen hatásán keresztül nyilvánul meg. Ez lehet egy bizonyos terhelés melletti működés és az áram egyidejű hatása is. Így az áram hatása alapján megítélhető annak jelenléte vagy hiánya egy adott áramkörben: ha a terhelés működik, van áram. Ha az áramot kísérő tipikus jelenséget észlelünk, akkor áram van az áramkörben stb.

Az elektromos áram elvileg különböző hatásokat képes előidézni: termikus, kémiai, mágneses (elektromágneses), fényes vagy mechanikus, és különböző típusú áramhatások gyakran egyidejűleg lépnek fel. Ezekről a jelenlegi jelenségekről és cselekvésekről lesz szó ebben a cikkben.

Az elektromos áram hőhatása

Amikor egyenáram vagy váltakozó áram folyik át egy vezetéken, a vezeték felmelegszik. Ilyen fűtőhuzalok különböző körülmények és alkalmazások között lehetnek: fémek, elektrolitok, plazma, olvadt fémek, félvezetők, félfémek.

A legegyszerűbb esetben, ha mondjuk elektromos áram megy át egy nikróm vezetéken, az felmelegszik. Ezt a jelenséget fűtőberendezésekben használják: elektromos vízforralókban, kazánokban, fűtőtestekben, elektromos tűzhelyekben stb. Az elektromos ívhegesztésnél az elektromos ív hőmérséklete általában eléri a 7000 °C-ot, és a fém könnyen megolvad, ez is az áram hőhatása.

Az áramkör szakaszában felszabaduló hőmennyiség függ az erre a szakaszra adott feszültségtől, az átfolyó áram értékétől és áramlásának idejétől (A Joule-Lenz törvény).

Miután átváltotta az Ohm-törvényt az áramkör egy szakaszára, használhatja a feszültséget vagy az áramerősséget a hőmennyiség kiszámításához, de akkor ismernie kell az áramkör ellenállását, mert korlátozza az áramot, és valójában melegedést okoz. Vagy az áramkör áramának és feszültségének ismeretében ugyanolyan könnyen megtalálhatja a termelt hő mennyiségét.

Az elektromos áram kémiai hatása

Ionokat tartalmazó elektrolitok egyenárammal elektrolizált — ez az áram kémiai hatása. A negatív ionok (anionok) az elektrolízis során a pozitív elektródhoz (anódhoz), a pozitív ionok (kationok) pedig a negatív elektródához (katódhoz) vonzódnak. Vagyis az elektrolitban lévő anyagok az elektrolízis során felszabadulnak az áramforrás elektródáin.

Például egy pár elektródát egy bizonyos sav, lúg vagy só oldatába merítenek, és amikor elektromos áram halad át az áramkörön, az egyik elektródán pozitív, a másikon negatív töltés jön létre. Az oldatban lévő ionok fordított töltéssel kezdenek lerakódni az elektródán.

Például a réz-szulfát (CuSO4) elektrolízise során a pozitív töltésű rézkationok Cu2 + a negatív töltésű katódra költöznek, ahol megkapják a hiányzó töltést, és semleges rézatomokká alakulnak, leülepedve az elektród felületén. Az -OH hidroxilcsoport elektronokat ad az anódnak, és ennek eredményeként oxigén szabadul fel. A pozitív töltésű hidrogén kationok H + és a negatív töltésű SO42- anionok oldatban maradnak.

Az elektromos áram kémiai hatását az iparban használják például a víz összetevőire (hidrogénre és oxigénre) történő lebontására. Ezenkívül az elektrolízis lehetővé teszi, hogy bizonyos fémeket tiszta formában kapjon. Az elektrolízis segítségével egy vékony réteget egy bizonyos fémből (nikkel, króm) visznek fel a felületre - ez az galvanikus bevonat stb.

1832-ben Michael Faraday megállapította, hogy az elektródán felszabaduló anyag m tömege egyenesen arányos az elektroliton áthaladó q elektromos töltéssel. Ha I egyenáram folyik át az elektroliton t ideig, akkor az elektrolízis Faraday első törvénye érvényesül:

Itt a k arányossági tényezőt az anyag elektrokémiai megfelelőjének nevezzük. Számszerűen megegyezik egy anyag tömegével, amely akkor szabadul fel, amikor egy elektromos töltés áthalad az elektroliton, és az anyag kémiai természetétől függ.

Az elektromos áram mágneses hatása

Bármely vezetőben (szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú) elektromos áram jelenlétében a vezető körül mágneses mező figyelhető meg, vagyis az áramot vezető vezető mágneses tulajdonságokat szerez.

Tehát ha mágnest vezetnek a vezetékhez, amelyen keresztül az áram folyik, például egy mágneses iránytű formájában, akkor a tű merőlegesen fog elfordulni a vezetékre, és ha a vezetéket egy vasmagra tekerjük, és egy közvetlen A vezetéken keresztül áramlik, a mag elektromágnesessé válik.

1820-ban Oersted felfedezte az áram mágneses hatását egy mágnestűre, Ampere pedig megállapította az áramot vezető vezetékek mágneses kölcsönhatásának mennyiségi törvényeit.

A mágneses mezőt mindig áram generálja, azaz mozgó elektromos töltések, különösen - töltött részecskék (elektronok, ionok). Az ellentétes áramok taszítják egymást, az egyirányú áramok vonzzák egymást.

Az ilyen mechanikai kölcsönhatás az áramok mágneses mezőinek kölcsönhatása miatt következik be, vagyis először mágneses kölcsönhatásról van szó, és csak azután - mechanikus. Így az áramok mágneses kölcsönhatása elsődleges.

1831-ben Faraday megállapította, hogy az egyik áramkörből származó változó mágneses mező áramot generál egy másik áramkörben: a generált EMF arányos a mágneses fluxus változásának sebességével. Logikus, hogy az áramok mágneses hatását a mai napig minden transzformátorban alkalmazzák, nem csak az elektromágnesekben (például az ipari transzformátorokban).

Az elektromos áram fényhatása

A legegyszerűbb formában az elektromos áram világító hatása egy izzólámpában figyelhető meg, amelynek tekercsét a rajta áthaladó áram fehér hővé melegíti és fényt bocsát ki.

Egy izzólámpa esetében a fényenergia a leadott villamos energia körülbelül 5%-át teszi ki, a fennmaradó 95%-ot pedig hővé alakítják.

A fénycsövek hatékonyabban alakítják át az áramot fénnyé – az elektromosság akár 20%-a is látható fénnyé alakul a befogadó fényporoknak köszönhetően ultraibolya sugárzás elektromos kisülésből higanygőzben vagy inert gázban, például neonban.

Az elektromos áram fényhatása a LED-ekben hatékonyabban valósul meg. Amikor az elektromos áram előrefelé halad át a pn átmeneten, a töltéshordozók – elektronok és lyukak – újraegyesülnek a fotonok kibocsátásával (az elektronok egyik energiaszintről a másikra való átmenete miatt).

A legjobb fénykibocsátók a közvetlen hézagú félvezetők (vagyis azok, amelyekben a közvetlen optikai átmenetek megengedettek), mint például a GaAs, InP, ZnSe vagy CdTe. A félvezetők összetételének megváltoztatásával a LED-ek mindenféle hullámhosszra készíthetők az ultraibolya sugárzástól (GaN) a közép-infravörösig (PbS). A LED, mint fényforrás hatásfoka átlagosan eléri az 50%-ot.

Az elektromos áram mechanikai hatása

Mint fentebb megjegyeztük, minden vezető, amelyen keresztül elektromos áram folyik, maga körül alakul ki mágneses mező… A mágneses hatások mozgássá alakulnak át, például elektromos motorokban, mágneses emelőberendezésekben, mágnesszelepekben, relékben stb.

Az egyik áram mechanikai hatását a másikra az Ampere-törvény írja le. Ezt a törvényt először Andre Marie Ampere hozta létre 1820-ban az egyenáramra. Tól től Ampere törvénye ebből az következik, hogy az egyirányú elektromos árammal párhuzamos vezetékek vonzzák, az ellenkező irányúak taszítják.

Az Ampere-törvényt törvénynek is nevezik, amely meghatározza azt az erőt, amellyel a mágneses tér egy áramvezető kis szegmensére hat. Az az erő, amellyel a mágneses tér egy áramvezető vezeték mágneses térben lévő elemére hat, egyenesen arányos a vezetékben folyó árammal, valamint a vezeték hosszának és a mágneses indukciónak az elemvektor szorzatával.

Ez az elv azon alapul villanymotorok működése, ahol a forgórész egy keret szerepét tölti be, amelynek árama az állórész külső mágneses mezőjében az M nyomatékkal irányul.