Delovanje električnega toka: toplotno, kemično, magnetno, svetlobno in mehansko

Električni tok v tokokrogu se vedno manifestira skozi neko vrsto svojega delovanja. To je lahko delovanje pri določeni obremenitvi in ​​sočasni učinek toka. Tako je z delovanjem toka mogoče oceniti njegovo prisotnost ali odsotnost v danem vezju: če obremenitev deluje, je tok. Če opazimo tipičen pojav, ki spremlja tok, obstaja tok v tokokrogu itd.

Načeloma lahko električni tok povzroči različna delovanja: toplotno, kemično, magnetno (elektromagnetno), svetlobno ali mehansko, pri čemer se različne vrste tokov pogosto pojavljajo sočasno. O teh trenutnih pojavih in dejanjih bomo razpravljali v tem članku.

Toplotni učinek električnega toka

Ko skozi žico teče enosmerni ali izmenični tok, se žica segreje. Takšne grelne žice pod različnimi pogoji in aplikacijami so lahko: kovine, elektroliti, plazma, staljene kovine, polprevodniki, polkovine.

V najpreprostejšem primeru, če, recimo, električni tok prehaja skozi nichrome žico, se bo segrel. Ta pojav se uporablja v grelnih napravah: v električnih kotličkih, v kotlih, v grelnikih, električnih štedilnikih itd. Pri elektroobločnem varjenju temperatura električnega obloka običajno doseže 7000 ° C, kovina pa se zlahka topi, to je tudi toplotni učinek toka.

Količina toplote, ki se sprosti v odseku vezja, je odvisna od napetosti, ki se uporablja za ta odsek, vrednosti toka, ki teče, in časa njegovega toka (Joule-Lenzov zakon).

Ko ste pretvorili Ohmov zakon za odsek vezja, lahko uporabite napetost ali tok za izračun količine toplote, vendar morate poznati upor vezja, ker omejuje tok in dejansko povzroča segrevanje. Če pa poznate tok in napetost v vezju, lahko prav tako enostavno ugotovite količino proizvedene toplote.

Kemijsko delovanje električnega toka

Elektroliti, ki vsebujejo ione z enosmernim električnim tokom elektroliziran — to je kemijsko delovanje toka. Negativne ione (anione) med elektrolizo privlači pozitivna elektroda (anoda), pozitivne ione (katione) pa negativna elektroda (katoda). To pomeni, da se snovi, ki jih vsebuje elektrolit, sproščajo med elektrolizo na elektrodah tokovnega vira.

Na primer, par elektrod potopimo v raztopino določene kisline, alkalije ali soli in ko električni tok teče skozi tokokrog, se na eni elektrodi ustvari pozitiven naboj, na drugi pa negativen. Ioni, ki jih vsebuje raztopina, se začnejo odlagati na elektrodo z reverznim nabojem.

Na primer, med elektrolizo bakrovega sulfata (CuSO4) se bakrovi kationi Cu2 + s pozitivnim nabojem premaknejo na negativno nabito katodo, kjer prejmejo manjkajoči naboj, in se spremenijo v nevtralne atome bakra, ki se usedejo na površino elektrode. Hidroksilna skupina -OH bo oddala elektrone anodi in posledično se bo sprostil kisik. Pozitivno nabiti vodikovi kationi H + in negativno nabiti anioni SO42- bodo ostali v raztopini.

Kemično delovanje električnega toka se v industriji uporablja na primer za razgradnjo vode na sestavne dele (vodik in kisik). Tudi elektroliza vam omogoča, da dobite nekatere kovine v čisti obliki. S pomočjo elektrolize se na površino nanese tanek sloj določene kovine (nikelj, krom) — to je to galvansko prevleko itd.

Leta 1832 je Michael Faraday ugotovil, da je masa m snovi, ki se sprosti na elektrodi, neposredno sorazmerna z električnim nabojem q, ki je prešel skozi elektrolit. Če enosmerni tok I teče skozi elektrolit za čas t, potem velja prvi Faradayev zakon elektrolize:

Tu se faktor sorazmernosti k imenuje elektrokemijski ekvivalent snovi. Številčno je enaka masi snovi, ki se sprosti pri prehodu električnega naboja skozi elektrolit, in je odvisna od kemijske narave snovi.

Magnetno delovanje električnega toka

V prisotnosti električnega toka v katerem koli prevodniku (v trdnem, tekočem ali plinastem stanju) okoli prevodnika opazimo magnetno polje, to pomeni, da prevodnik s tokom pridobi magnetne lastnosti.

Torej, če na žico, skozi katero teče tok, pripeljemo magnet, na primer v obliki magnetne igle kompasa, se bo igla obrnila pravokotno na žico, in če žico navijete na železno jedro in preidete neposredno tok skozi žico, bo jedro postalo elektromagnet.

Leta 1820 je Oersted odkril magnetni učinek toka na magnetno iglo, Ampere pa je vzpostavil kvantitativne zakonitosti magnetne interakcije žic s tokom.

Magnetno polje vedno ustvarja tok, to je premikanje električnih nabojev, zlasti nabitih delcev (elektronov, ionov). Nasprotni tokovi se odbijajo, enosmerni privlačijo.

Takšna mehanska interakcija nastane zaradi interakcije magnetnih polj tokov, to je najprej magnetna interakcija in šele nato mehanska. Tako je magnetna interakcija tokov primarna.

Leta 1831 je Faraday ugotovil, da spreminjajoče se magnetno polje iz enega tokokroga ustvari tok v drugem tokokrogu: ustvarjeni EMF je sorazmeren s hitrostjo spremembe magnetnega pretoka. Logično je, da se magnetno delovanje tokov uporablja do danes v vseh transformatorjih, ne le v elektromagnetih (na primer v industrijskih).

Svetlobni učinek električnega toka

V najpreprostejši obliki lahko svetlobni učinek električnega toka opazimo v žarnici z žarilno nitko, katere tuljava segreje tok, ki teče skozenj, do bele toplote in oddaja svetlobo.

Pri žarnici z žarilno nitko svetlobna energija predstavlja približno 5 % dobavljene električne energije, preostalih 95 % pa se pretvori v toploto.

Fluorescentne sijalke učinkoviteje pretvarjajo trenutno energijo v svetlobo – do 20 % električne energije se pretvori v vidno svetlobo zahvaljujoč fosforjem, ki sprejemajo ultravijolično sevanje zaradi električne razelektritve v hlapih živega srebra ali v inertnem plinu, kot je neon.

Svetlobni učinek električnega toka se bolj učinkovito realizira v LED. Ko gre električni tok skozi pn-spoj v smeri naprej, se nosilci naboja - elektroni in luknje - rekombinirajo z emisijo fotonov (zaradi prehoda elektronov z enega energijskega nivoja na drugega).

Najboljši sevalci svetlobe so polprevodniki z direktno vrzeljo (to so tisti, pri katerih so dovoljeni neposredni optični prehodi), kot so GaAs, InP, ZnSe ali CdTe. S spreminjanjem sestave polprevodnikov je mogoče izdelati LED za vse vrste valovnih dolžin od ultravijoličnega (GaN) do srednjega infrardečega (PbS). Učinkovitost LED kot vira svetlobe doseže povprečno 50%.

Mehansko delovanje električnega toka

Kot je navedeno zgoraj, se vsak prevodnik, skozi katerega teče električni tok, oblikuje okoli sebe magnetno polje… Magnetna dejanja se pretvorijo v gibanje, na primer v elektromotorjih, v magnetnih dvižnih napravah, v magnetnih ventilih, v relejih itd.

Mehansko delovanje enega toka na drugega opisuje Amperov zakon. Ta zakon je prvi uvedel Andre Marie Ampere leta 1820 za enosmerni tok. Od Amperov zakon iz tega sledi, da se vzporedne žice z električnimi tokovi, ki tečejo v eno smer, privlačijo, tiste v nasprotnih smereh pa odbijajo.

Amperov zakon imenujemo tudi zakon, ki določa silo, s katero magnetno polje deluje na majhen segment prevodnika, po katerem teče tok. Sila, s katero magnetno polje deluje na element žice s tokom v magnetnem polju, je premo sorazmerna s tokom v žici in vektorskem produktu elementa dolžine žice in magnetne indukcije.

To načelo temelji na delovanje elektromotorjev, kjer rotor igra vlogo okvirja s tokom, usmerjenim v zunanje magnetno polje statorja z navorom M.