Sähkövirran vaikutukset: lämpö, ​​kemiallinen, magneettinen, kevyt ja mekaaninen

Piirissä oleva sähkövirta ilmenee aina jonkinlaisena toimintansa kautta. Tämä voi olla sekä toimintaa tietyllä kuormalla että samanaikainen virran vaikutus. Siten virran vaikutuksesta voidaan arvioida sen olemassaolo tai puuttuminen tietyssä piirissä: jos kuorma toimii, virtaa on. Jos havaitaan tyypillinen virtaan liittyvä ilmiö, piirissä on virtaa jne.

Periaatteessa sähkövirta voi aiheuttaa erilaisia ​​vaikutuksia: lämpöä, kemiallista, magneettista (sähkömagneettista), valoa tai mekaanista, ja erityyppisiä virtavaikutuksia esiintyy usein samanaikaisesti. Näitä ajankohtaisia ​​ilmiöitä ja toimia käsitellään tässä artikkelissa.

Sähkövirran lämpövaikutus

Kun tasa- tai vaihtovirta kulkee johtimen läpi, lanka kuumenee. Tällaisia ​​lämmityslankoja eri olosuhteissa ja sovelluksissa voivat olla: metallit, elektrolyytit, plasma, sulat metallit, puolijohteet, puolimetallit.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa, jos esimerkiksi sähkövirta kulkee nikromilangan läpi, se lämpenee. Tätä ilmiötä käytetään lämmityslaitteissa: vedenkeittimissä, kattiloissa, lämmittimissä, sähköliesissä jne. Valokaarihitsauksessa sähkökaaren lämpötila saavuttaa yleensä 7000 °C, ja metalli sulaa helposti, tämä on myös virran lämpövaikutus.

Piirin osiossa vapautuvan lämmön määrä riippuu tähän osaan syötetystä jännitteestä, virtaavan virran arvosta ja sen virtausajasta (Joule-Lenzin laki).

Kun olet muuntanut Ohmin lain piirin osalle, voit käyttää joko jännitettä tai virtaa lämmön määrän laskemiseen, mutta silloin sinun on tiedettävä piirin vastus, koska se rajoittaa virtaa ja aiheuttaa itse asiassa kuumenemisen. Tai, kun tiedät piirin virran ja jännitteen, voit yhtä helposti selvittää syntyneen lämmön määrän.

Sähkövirran kemiallinen vaikutus

Elektrolyytit, jotka sisältävät ioneja tasavirralla elektrolysoitu — Tämä on virran kemiallinen vaikutus. Negatiiviset ionit (anionit) vetäytyvät positiiviseen elektrodiin (anodiin) elektrolyysin aikana ja positiiviset ionit (kationit) vetoavat negatiiviseen elektrodiin (katodi). Eli elektrolyytin sisältämät aineet vapautuvat elektrolyysin aikana virtalähteen elektrodeilla.

Esimerkiksi elektrodipari upotetaan tietyn hapon, alkalin tai suolan liuokseen, ja kun sähkövirta kulkee piirin läpi, syntyy positiivinen varaus toiseen elektrodiin ja negatiivinen varaus toiseen. Liuoksen sisältämät ionit alkavat kerrostua elektrodille käänteisellä varauksella.

Esimerkiksi kuparisulfaatin (CuSO4) elektrolyysin aikana kuparikationit Cu2 +, joilla on positiivinen varaus, siirtyvät negatiivisesti varautuneelle katodille, jossa ne vastaanottavat puuttuvan varauksen ja muuttuvat neutraaleiksi kupariatomeiksi laskeutuen elektrodin pinnalle. Hydroksyyliryhmä -OH luovuttaa elektroneja anodille ja sen seurauksena vapautuu happea. Positiivisesti varautuneet vetykationit H + ja negatiivisesti varautuneet SO42- anionit jäävät liuokseen.

Sähkövirran kemiallista vaikutusta käytetään teollisuudessa esimerkiksi hajottamaan vettä sen komponenttiosiksi (vety ja happi). Lisäksi elektrolyysin avulla voit saada joitain metalleja puhtaassa muodossaan. Elektrolyysin avulla pinnalle levitetään ohut kerros tiettyä metallia (nikkeliä, kromia) - siinä se galvaaninen pinnoite jne.

Vuonna 1832 Michael Faraday totesi, että elektrodilla vapautuvan aineen massa m on suoraan verrannollinen elektrolyytin läpi kulkeneeseen sähkövaraukseen q. Jos tasavirta I virtaa elektrolyytin läpi ajan t, pätee Faradayn ensimmäinen elektrolyysin laki:

Tässä suhteellisuustekijää k kutsutaan aineen sähkökemialliseksi ekvivalentiksi. Se on numeerisesti yhtä suuri kuin aineen massa, joka vapautuu, kun sähkövaraus kulkee elektrolyytin läpi, ja riippuu aineen kemiallisesta luonteesta.

Sähkövirran magneettinen toiminta

Sähkövirran läsnäollessa missä tahansa johtimessa (kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa tilassa) johtimen ympärillä havaitaan magneettikenttä, eli virtaa kuljettava johdin saa magneettisia ominaisuuksia.

Joten jos johdolle, jonka läpi virta kulkee, tuodaan magneetti, esimerkiksi magneettisen kompassin neulan muodossa, neula kääntyy kohtisuoraan lankaa vastaan, ja jos kierrät langan rautasydämeen ja kuljetat suoran virta johdon läpi, ytimestä tulee sähkömagneetti.

Vuonna 1820 Oersted havaitsi virran magneettisen vaikutuksen magneettineulaan, ja Ampere vahvisti virtaa kuljettavien johtojen magneettisen vuorovaikutuksen kvantitatiiviset lait.

Magneettikenttä syntyy aina virrasta, eli liikkuvista sähkövarauksista, erityisesti varautuneista hiukkasista (elektroneista, ioneista). Vastakkaiset virrat hylkivät toisiaan, yksisuuntaiset virrat vetävät toisiaan puoleensa.

Tällainen mekaaninen vuorovaikutus johtuu virtojen magneettikenttien vuorovaikutuksesta, eli se on ensinnäkin magneettinen vuorovaikutus ja vasta sitten - mekaaninen. Siten virtojen magneettinen vuorovaikutus on ensisijainen.

Vuonna 1831 Faraday havaitsi, että yhden piirin muuttuva magneettikenttä synnyttää virran toiseen piiriin: syntyvä EMF on verrannollinen magneettivuon muutosnopeuteen. On loogista, että virtojen magneettista toimintaa käytetään tähän päivään kaikissa muuntajissa, ei vain sähkömagneeteissa (esimerkiksi teollisissa).

Sähkövirran valovaikutus

Yksinkertaisimmassa muodossaan sähkövirran valovaikutus voidaan havaita hehkulampussa, jonka käämi kuumenee sen läpi kulkevasta virrasta valkolämpöksi ja säteilee valoa.

Hehkulampussa valoenergia on noin 5 % toimitetusta sähköstä, josta loput 95 % muunnetaan lämmöksi.

Loistelamput muuttavat nykyisen energian tehokkaammin valoksi – jopa 20 % sähköstä muuttuu näkyväksi valoksi vastaanottavien fosforien ansiosta UV-säteily sähköpurkauksesta elohopeahöyryssä tai inertissä kaasussa, kuten neonissa.

Sähkövirran valovaikutus toteutuu tehokkaammin LEDeissä. Kun sähkövirta kulkee pn-liitoksen läpi eteenpäin, varauksen kantajat - elektronit ja reiät - yhdistyvät uudelleen fotonien emission kanssa (johtuen elektronien siirtymisestä energiatasolta toiselle).

Parhaat valonlähteet ovat suoraväliset puolijohteet (eli ne, joissa suorat optiset siirtymät ovat sallittuja), kuten GaAs, InP, ZnSe tai CdTe. Puolijohteiden koostumusta muuttamalla LEDejä voidaan valmistaa kaikenlaisille aallonpituuksille ultraviolettisäteilystä (GaN) keski-infrapunaan (PbS). LEDin tehokkuus valonlähteenä saavuttaa keskimäärin 50 %.

Sähkövirran mekaaninen toiminta

Kuten edellä todettiin, mikä tahansa johdin, jonka läpi sähkövirta kulkee, muodostuu itsensä ympärille magneettikenttä… Magneettiset vaikutukset muunnetaan liikkeeksi esimerkiksi sähkömoottoreissa, magneettisissa nostolaitteissa, magneettiventtiileissä, releissä jne.

Virran mekaanista vaikutusta toiseen kuvaa Amperen laki. Tämän lain vahvisti ensimmäisen kerran Andre Marie Ampere vuonna 1820 tasavirralle. From Amperen laki Tästä seuraa, että rinnakkaiset johdot, joissa sähkövirrat kulkevat yhteen suuntaan, vetävät puoleensa ja vastakkaisiin suuntiin hylkivät.

Amperen lakia kutsutaan myös laiksi, joka määrittää voiman, jolla magneettikenttä vaikuttaa pieneen virtaa kuljettavan johtimen segmenttiin. Voima, jolla magneettikenttä vaikuttaa virtaa kuljettavan langan elementtiin magneettikentässä, on suoraan verrannollinen johdossa olevaan virtaan ja langan pituuden ja magneettisen induktion elementtivektorituloon.

Tämä periaate perustuu sähkömoottoreiden toimintaa, jossa roottori toimii kehyksenä, jonka virta suuntautuu staattorin ulkoiseen magneettikenttään vääntömomentilla M.