Djelovanje električne struje: toplinsko, kemijsko, magnetsko, svjetlosno i mehaničko

Električna struja u strujnom krugu uvijek se manifestira nekom vrstom svog djelovanja. To može biti i rad pri određenom opterećenju i popratni učinak struje. Dakle, djelovanjem struje može se procijeniti njezina prisutnost ili odsutnost u danom krugu: ako opterećenje radi, postoji struja. Ako se promatra tipična pojava koja prati struju, postoji struja u krugu itd.

U principu, električna struja može izazvati različita djelovanja: toplinska, kemijska, magnetska (elektromagnetska), svjetlosna ili mehanička, a različite vrste strujnih djelovanja često se javljaju istovremeno. O ovim trenutnim pojavama i radnjama bit će riječi u ovom članku.

Toplinski učinak električne struje

Kada kroz žicu teče istosmjerna ili izmjenična struja, žica se zagrijava. Takve grijaće žice pod različitim uvjetima i primjenama mogu biti: metali, elektroliti, plazma, rastaljeni metali, poluvodiči, polumetali.

U najjednostavnijem slučaju, ako, recimo, električna struja prolazi kroz nichrome žicu, ona će se zagrijati. Ova pojava se koristi u uređajima za grijanje: u električnim kuhalima za vodu, u kotlovima, u grijačima, električnim štednjacima itd. U elektrolučnom zavarivanju temperatura električnog luka obično doseže 7000 ° C, a metal se lako topi, to je također toplinski učinak struje.

Količina topline koja se oslobađa u dijelu kruga ovisi o naponu koji se primjenjuje na ovaj dio, vrijednosti struje koja teče i vremenu njezina protoka (Joule-Lenzov zakon).

Nakon što ste pretvorili Ohmov zakon za dio strujnog kruga, možete koristiti napon ili struju za izračunavanje količine topline, ali tada morate znati otpor kruga jer on ograničava struju i zapravo uzrokuje zagrijavanje. Ili, znajući struju i napon u strujnom krugu, jednako lako možete pronaći količinu proizvedene topline.

Kemijsko djelovanje električne struje

Elektroliti koji sadrže ione istosmjernom električnom strujom elektrolizirani — to je kemijsko djelovanje struje. Negativni ioni (anioni) se tijekom elektrolize privlače na pozitivnu elektrodu (anodu), a pozitivni ioni (kationi) na negativnu elektrodu (katodu). To jest, tvari sadržane u elektrolitu oslobađaju se tijekom elektrolize na elektrodama izvora struje.

Na primjer, par elektroda se uroni u otopinu određene kiseline, lužine ili soli, a kada električna struja prolazi kroz krug, na jednoj elektrodi se stvara pozitivan, a na drugoj negativan naboj. Ioni sadržani u otopini počinju se taložiti na elektrodi s obrnutim nabojem.

Na primjer, tijekom elektrolize bakrenog sulfata (CuSO4), bakreni kationi Cu2 + s pozitivnim nabojem prelaze na negativno nabijenu katodu, gdje primaju naboj koji nedostaje, i pretvaraju se u neutralne atome bakra, taložeći se na površini elektrode. Hidroksilna skupina -OH će donirati elektrone anodi i kao rezultat će se osloboditi kisik. Pozitivno nabijeni vodikovi kationi H+ i negativno nabijeni anioni SO42- ostat će u otopini.

Kemijsko djelovanje električne struje koristi se u industriji, na primjer, za razgradnju vode na sastavne dijelove (vodik i kisik). Također, elektroliza vam omogućuje da dobijete neke metale u čistom obliku. Uz pomoć elektrolize na površinu se nanosi tanak sloj određenog metala (nikal, krom) — to je to galvanska prevlaka itd.

Godine 1832. Michael Faraday ustanovio je da je masa m tvari koja se oslobađa na elektrodi izravno proporcionalna električnom naboju q koji je prošao kroz elektrolit. Ako istosmjerna struja I teče kroz elektrolit za vrijeme t, tada vrijedi prvi Faradayev zakon elektrolize:

Ovdje se faktor proporcionalnosti k naziva elektrokemijski ekvivalent tvari. Brojčano je jednaka masi tvari koja se oslobađa kada električni naboj prolazi kroz elektrolit, a ovisi o kemijskoj prirodi tvari.

Magnetsko djelovanje električne struje

U prisutnosti električne struje u bilo kojem vodiču (u krutom, tekućem ili plinovitom stanju), oko vodiča se opaža magnetsko polje, odnosno vodič kroz koji teče struja dobiva magnetska svojstva.

Dakle, ako se magnet dovede do žice kroz koju teče struja, na primjer u obliku magnetske igle kompasa, tada će se igla okrenuti okomito na žicu, a ako namotate žicu na željeznu jezgru i prođete direktnu struje kroz žicu, jezgra će postati elektromagnet.

Godine 1820. Oersted je otkrio magnetski učinak struje na magnetsku iglu, a Ampere je utvrdio kvantitativne zakone magnetskog međudjelovanja žica kroz koje teče struja.

Magnetsko polje uvijek stvara struja, odnosno pokretni električni naboji, posebno — nabijene čestice (elektroni, ioni). Suprotne struje se međusobno odbijaju, jednosmjerne struje privlače.

Takva mehanička interakcija nastaje zbog interakcije magnetskih polja struja, to jest, to je prije svega magnetska interakcija, a tek onda - mehanička. Dakle, primarna je magnetska interakcija struja.

Godine 1831. Faraday je otkrio da promjenjivo magnetsko polje iz jednog kruga stvara struju u drugom krugu: generirani EMF proporcionalan je brzini promjene magnetskog toka. Logično je da se magnetsko djelovanje struja koristi do danas u svim transformatorima, ne samo u elektromagnetima (na primjer, u industrijskim).

Svjetlosni učinak električne struje

U svom najjednostavnijem obliku, svjetlosni učinak električne struje može se promatrati u žarulji sa žarnom niti, čiji se svitak zagrijava strujom koja prolazi kroz njega do bijele topline i emitira svjetlost.

Za žarulju sa žarnom niti, svjetlosna energija predstavlja oko 5% isporučene električne energije, od čega se preostalih 95% pretvara u toplinu.

Fluorescentne svjetiljke učinkovitije pretvaraju trenutnu energiju u svjetlost — do 20% električne energije pretvara se u vidljivu svjetlost zahvaljujući fosforima koji primaju ultraljubičasto zračenje od električnog pražnjenja u živinim parama ili u inertnom plinu kao što je neon.

Svjetlosni učinak električne struje učinkovitije se ostvaruje u LED diodama. Kada električna struja prolazi kroz pn spoj u smjeru prema naprijed, nositelji naboja — elektroni i šupljine — rekombiniraju se uz emisiju fotona (zbog prijelaza elektrona s jedne energetske razine na drugu).

Najbolji emiteri svjetlosti su poluvodiči s izravnim procjepom (to jest, oni u kojima su dopušteni izravni optički prijelazi), kao što su GaAs, InP, ZnSe ili CdTe. Promjenom sastava poluvodiča, LED diode se mogu napraviti za sve vrste valnih duljina od ultraljubičastog (GaN) do srednjeg infracrvenog (PbS). Učinkovitost LED-a kao izvora svjetlosti doseže prosječno 50%.

Mehaničko djelovanje električne struje

Kao što je gore navedeno, svaki vodič kroz koji teče električna struja formira se oko sebe magnetsko polje… Magnetske radnje se pretvaraju u gibanje, na primjer u elektromotorima, u magnetskim uređajima za podizanje, u magnetskim ventilima, u relejima itd.

Mehaničko djelovanje jedne struje na drugu opisuje Amperov zakon. Ovaj zakon prvi je uspostavio Andre Marie Ampere 1820. za istosmjernu struju. Iz Amperov zakon slijedi da se paralelne žice s električnim strujama koje teku u jednom smjeru privlače, a one u suprotnim smjerovima odbijaju.

Amperov zakon naziva se i zakon koji određuje silu kojom magnetsko polje djeluje na mali segment vodiča kroz koji teče struja. Sila kojom magnetsko polje djeluje na element žice kojom teče struja u magnetskom polju izravno je proporcionalna struji u žici i vektorskom produktu elementa duljine žice i magnetske indukcije.

Ovaj princip se temelji na rad elektromotora, gdje rotor igra ulogu okvira sa strujom orijentiranom u vanjskom magnetskom polju statora momentom M.