Acties van elektrische stroom: thermisch, chemisch, magnetisch, licht en mechanisch

Elektrische stroom in een circuit manifesteert zich altijd door een of andere actie. Dit kan zowel de werking bij een bepaalde belasting zijn als het bijbehorende effect van de stroom. Dus door de actie van de stroom kan de aanwezigheid of afwezigheid ervan in een bepaald circuit worden beoordeeld: als de belasting werkt, is er stroom. Als een typisch fenomeen dat de stroom vergezelt wordt waargenomen, is er een stroom in het circuit, enz.

In principe kan elektrische stroom verschillende acties veroorzaken: thermisch, chemisch, magnetisch (elektromagnetisch), licht of mechanisch, en verschillende soorten stroomacties vinden vaak gelijktijdig plaats. Deze huidige verschijnselen en acties zullen in dit artikel worden besproken.

Thermisch effect van elektrische stroom

Als er gelijk- of wisselstroom door een draad vloeit, warmt de draad op. Dergelijke verwarmingsdraden kunnen onder verschillende omstandigheden en toepassingen zijn: metalen, elektrolyten, plasma, gesmolten metalen, halfgeleiders, halfmetalen.

In het eenvoudigste geval, als bijvoorbeeld een elektrische stroom door een nichroomdraad gaat, zal deze opwarmen. Dit fenomeen wordt gebruikt in verwarmingstoestellen: in waterkokers, in boilers, in kachels, elektrische fornuizen, enz. Bij elektrisch booglassen bereikt de temperatuur van de elektrische boog gewoonlijk 7000 ° C en smelt het metaal gemakkelijk, dit is ook een warmte-effect van de stroom.

De hoeveelheid warmte die vrijkomt in het gedeelte van het circuit hangt af van de spanning die op dit gedeelte wordt toegepast, de waarde van de stroom die vloeit en de stroomtijd (De wet van Joule-Lenz).

Als je eenmaal de wet van Ohm voor een deel van het circuit hebt omgezet, kun je zowel spanning als stroom gebruiken om de hoeveelheid warmte te berekenen, maar dan moet je de weerstand van het circuit kennen, omdat deze de stroom beperkt en daadwerkelijk opwarming veroorzaakt. Of, als u de stroom en spanning in een circuit kent, kunt u net zo gemakkelijk de hoeveelheid gegenereerde warmte vinden.

Chemische werking van elektrische stroom

Elektrolyten die ionen bevatten door gelijkstroom geëlektrolyseerd — dit is de chemische werking van de stroom. Negatieve ionen (anionen) worden aangetrokken door de positieve elektrode (anode) tijdens elektrolyse en positieve ionen (kationen) worden aangetrokken door de negatieve elektrode (kathode). Dat wil zeggen, de stoffen in de elektrolyt komen vrij tijdens elektrolyse aan de elektroden van de stroombron.

Een paar elektroden wordt bijvoorbeeld ondergedompeld in een oplossing van een bepaald zuur, alkali of zout, en wanneer er een elektrische stroom door het circuit gaat, ontstaat er een positieve lading op de ene elektrode en een negatieve lading op de andere. De ionen in de oplossing beginnen zich met een omgekeerde lading op de elektrode af te zetten.

Tijdens de elektrolyse van kopersulfaat (CuSO4) gaan bijvoorbeeld koperkationen Cu2 + met een positieve lading naar de negatief geladen kathode, waar ze de ontbrekende lading ontvangen, en veranderen in neutrale koperatomen, die zich op het oppervlak van de elektrode nestelen. De hydroxylgroep -OH zal elektronen afstaan ​​aan de anode en daarbij komt zuurstof vrij. De positief geladen waterstofkationen H+ en de negatief geladen SO42-anionen blijven in oplossing.

De chemische werking van een elektrische stroom wordt bijvoorbeeld in de industrie gebruikt om water af te breken in zijn samenstellende delen (waterstof en zuurstof). Met elektrolyse kun je ook sommige metalen in hun pure vorm krijgen. Met behulp van elektrolyse wordt een dunne laag van een bepaald metaal (nikkel, chroom) op het oppervlak aangebracht — dat is alles galvanische coating enz.

In 1832 stelde Michael Faraday vast dat de massa m van de stof die vrijkomt bij de elektrode recht evenredig is met de elektrische lading q die door de elektrolyt ging. Als gedurende tijd t een gelijkstroom I door de elektrolyt stroomt, is de eerste elektrolysewet van Faraday van toepassing:

Hier wordt de evenredigheidsfactor k het elektrochemische equivalent van de stof genoemd. Het is numeriek gelijk aan de massa van een stof die vrijkomt wanneer een elektrische lading door de elektrolyt gaat, en hangt af van de chemische aard van de stof.

Magnetische werking van elektrische stroom

In de aanwezigheid van een elektrische stroom in een geleider (in vaste, vloeibare of gasvormige toestand), wordt rond de geleider een magnetisch veld waargenomen, dat wil zeggen dat de stroomvoerende geleider magnetische eigenschappen krijgt.

Dus als je een magneet naar de draad brengt waar de stroom doorheen vloeit, bijvoorbeeld in de vorm van een magnetische kompasnaald, dan gaat de naald loodrecht op de draad draaien, en als je de draad om een ​​ijzeren kern wikkelt en een directe stroom door de draad, zal de kern een elektromagneet worden.

In 1820 ontdekte Oersted het magnetische effect van stroom op een magnetische naald en Ampere stelde de kwantitatieve wetten vast van de magnetische interactie van stroomvoerende draden.

Het magnetische veld wordt altijd gegenereerd door stroom, dat wil zeggen bewegende elektrische ladingen, in het bijzonder - geladen deeltjes (elektronen, ionen). Tegengestelde stromingen stoten elkaar af, unidirectionele stromingen trekken elkaar aan.

Zo'n mechanische interactie vindt plaats als gevolg van de interactie van magnetische velden van stromen, dat wil zeggen, het is in de eerste plaats een magnetische interactie, en pas dan - mechanisch. De magnetische interactie van de stromen is dus primair.

In 1831 ontdekte Faraday dat een veranderend magnetisch veld van het ene circuit een stroom opwekt in een ander circuit: de gegenereerde EMF is evenredig met de veranderingssnelheid van de magnetische flux. Het is logisch dat het de magnetische werking van stromen is die tot op de dag van vandaag in alle transformatoren wordt gebruikt, niet alleen in elektromagneten (bijvoorbeeld in industriële).

Lichteffect van elektrische stroom

In zijn eenvoudigste vorm kan het lichteffect van een elektrische stroom worden waargenomen in een gloeilamp, waarvan de spoel wordt verwarmd door de stroom die er doorheen gaat tot witte warmte en licht uitzendt.

Voor een gloeilamp vertegenwoordigt de lichtenergie ongeveer 5% van de geleverde elektriciteit, waarvan de overige 95% wordt omgezet in warmte.

Fluorescentielampen zetten de huidige energie efficiënter om in licht — tot 20% van de elektriciteit wordt omgezet in zichtbaar licht dankzij fosforen die ultraviolette straling door een elektrische ontlading in kwikdamp of in een inert gas zoals neon.

Het lichteffect van elektrische stroom wordt effectiever gerealiseerd in LED's. Wanneer een elektrische stroom door de pn-overgang in voorwaartse richting gaat, recombineren de ladingsdragers - elektronen en gaten - met de emissie van fotonen (vanwege de overgang van elektronen van het ene energieniveau naar het andere).

De beste lichtemitters zijn halfgeleiders met directe opening (dat wil zeggen die waarin directe optische overgangen zijn toegestaan), zoals GaAs, InP, ZnSe of CdTe. Door de samenstelling van de halfgeleiders te veranderen, kunnen leds gemaakt worden voor allerlei golflengten van ultraviolet (GaN) tot midden-infrarood (PbS). Het rendement van de LED als lichtbron bereikt gemiddeld 50%.

Mechanische actie van elektrische stroom

Zoals hierboven vermeld, vormt zich elke geleider waardoor een elektrische stroom vloeit om zich heen magnetisch veld… Magnetische acties worden omgezet in beweging, bijvoorbeeld in elektromotoren, in magnetische heftoestellen, in magneetventielen, in relais, etc.

De mechanische actie van de ene stroom op de andere wordt beschreven door de wet van Ampere. Deze wet werd voor het eerst opgesteld door Andre Marie Ampere in 1820 voor gelijkstroom. Van De wet van Ampere hieruit volgt dat parallelle draden met elektrische stromen die in de ene richting stromen elkaar aantrekken en die in tegengestelde richtingen afstoten.

De wet van Ampere wordt ook wel de wet genoemd die de kracht bepaalt waarmee een magnetisch veld inwerkt op een klein segment van een stroomvoerende geleider. De kracht waarmee een magnetisch veld inwerkt op een element van een stroomvoerende draad in een magnetisch veld is rechtevenredig met de stroom in de draad en het elementvectorproduct van de lengte van de draad en de magnetische inductie.

Dit principe is gebaseerd op werking van elektromotoren, waar de rotor de rol speelt van een frame met een stroom georiënteerd in het externe magnetische veld van de stator door het koppel M.