פעולות של זרם חשמלי: תרמית, כימית, מגנטית, קלה ומכאנית

זרם חשמלי במעגל תמיד מתבטא דרך איזושהי פעולה שלו. זה יכול להיות גם פעולה בעומס מסוים וגם ההשפעה הנלווית של הזרם. לפיכך, לפי פעולת הזרם, ניתן לשפוט את נוכחותו או היעדרו במעגל נתון: אם העומס עובד, יש זרם. אם נצפית תופעה אופיינית המלווה את הזרם, יש זרם במעגל וכו'.

באופן עקרוני, זרם חשמלי מסוגל לגרום לפעולות שונות: תרמיות, כימיות, מגנטיות (אלקטרומגנטיות), קלות או מכניות, וסוגים שונים של פעולות זרם מתרחשות לרוב בו-זמנית. תופעות ופעולות עדכניות אלה יידונו במאמר זה.

השפעה תרמית של זרם חשמלי

כאשר זרם ישיר או חילופין זורם דרך חוט, החוט מתחמם. חוטי חימום כאלה בתנאים ויישומים שונים יכולים להיות: מתכות, אלקטרוליטים, פלזמה, מתכות מותכות, מוליכים למחצה, מתכות למחצה.

במקרה הפשוט ביותר, אם, נניח, זרם חשמלי עובר דרך חוט ניקרום, הוא יתחמם. תופעה זו משמשת במכשירי חימום: בקומקומים חשמליים, בדוודים, בתנורי חימום, כיריים חשמליות וכו'. בריתוך חשמלי, טמפרטורת הקשת החשמלית מגיעה בדרך כלל ל-7000 מעלות צלזיוס, והמתכת נמסה בקלות, זו גם אפקט חום של הזרם.

כמות החום המשתחררת בקטע של המעגל תלויה במתח המופעל על קטע זה, בערך הזרם הזורם ובזמן זרימתו (חוק ג'ול-לנץ).

לאחר שהמרת את חוק אוהם לקטע של מעגל, אתה יכול להשתמש במתח או בזרם כדי לחשב את כמות החום, אבל אז אתה חייב לדעת את ההתנגדות של המעגל מכיוון שהוא מגביל את הזרם ולמעשה גורם לחימום. לחלופין, לדעת את הזרם והמתח במעגל, אתה יכול באותה קלות למצוא את כמות החום שנוצרת.

פעולה כימית של זרם חשמלי

אלקטרוליטים המכילים יונים על ידי זרם חשמלי ישר אלקטרוליזה - זוהי הפעולה הכימית של הזרם. יונים שליליים (אניונים) נמשכים אל האלקטרודה החיובית (אנודה) במהלך האלקטרוליזה, ויונים חיוביים (קטיונים) נמשכים אל האלקטרודה השלילית (קתודה). כלומר, החומרים הכלולים באלקטרוליט משתחררים במהלך האלקטרוליזה באלקטרודות של מקור הזרם.

לדוגמה, זוג אלקטרודות טובלים בתמיסה של חומצה, אלקלית או מלח מסוימת, וכאשר עובר זרם חשמלי במעגל, נוצר מטען חיובי על אלקטרודה אחת ומטען שלילי על השנייה. היונים הכלולים בתמיסה מתחילים להתמקם על האלקטרודה במטען הפוך.

לדוגמה, במהלך האלקטרוליזה של גופרת נחושת (CuSO4), קטיוני נחושת Cu2 + בעלי מטען חיובי עוברים לקתודה הטעונה שלילי, שם הם מקבלים את המטען החסר, והופכים לאטומי נחושת ניטרליים, השוקעים על פני האלקטרודה. קבוצת ההידרוקסיל -OH תתרום אלקטרונים לאנודה וכתוצאה מכך ישתחרר חמצן. קטיוני המימן בעלי המטען החיובי H + והאניונים הטעונים שלילי SO42- יישארו בתמיסה.

הפעולה הכימית של זרם חשמלי משמשת בתעשייה, למשל, לפירוק מים לחלקים המרכיבים אותם (מימן וחמצן). כמו כן, אלקטרוליזה מאפשרת לך לקבל כמה מתכות בצורתן הטהורה. בעזרת אלקטרוליזה מונחת שכבה דקה של מתכת מסוימת (ניקל, כרום) על פני השטח - זהו ציפוי גלווני וכו '

בשנת 1832, מייקל פאראדיי קבע שהמסה m של החומר המשתחררת באלקטרודה עומדת ביחס ישר למטען החשמלי q שעבר דרך האלקטרוליט. אם זרם ישר I זורם דרך האלקטרוליט במשך זמן t, אזי חל חוק האלקטרוליזה הראשון של פאראדיי:

כאן גורם המידתיות k נקרא המקבילה האלקטרוכימית של החומר. הוא שווה מספרית למסה של חומר המשתחרר כאשר מטען חשמלי עובר דרך האלקטרוליט, ותלוי באופי הכימי של החומר.

פעולה מגנטית של זרם חשמלי

בנוכחות זרם חשמלי בכל מוליך (במצב מוצק, נוזלי או גזי), נצפה שדה מגנטי סביב המוליך, כלומר, המוליך נושא הזרם מקבל תכונות מגנטיות.

אז אם מביאים מגנט אל החוט שדרכו זורם הזרם, למשל בצורת מחט מצפן מגנטי, אז המחט תפנה בניצב לחוט, ואם תפתל את החוט על ליבת ברזל ותעביר ישיר זרם דרך החוט, הליבה תהפוך לאלקטרומגנט.

בשנת 1820 גילה אורסטד את ההשפעה המגנטית של זרם על מחט מגנטית, ואמפרה קבע את החוקים הכמותיים של האינטראקציה המגנטית של חוטים נושאי זרם.

השדה המגנטי נוצר תמיד על ידי זרם, כלומר נע מטענים חשמליים, בפרט - חלקיקים טעונים (אלקטרונים, יונים). זרמים מנוגדים דוחים זה את זה, זרמים חד-כיווניים מושכים זה את זה.

אינטראקציה מכנית כזו מתרחשת עקב אינטראקציה של שדות מגנטיים של זרמים, כלומר, היא קודם כל אינטראקציה מגנטית, ורק אז - מכנית. לפיכך, האינטראקציה המגנטית של הזרמים היא ראשונית.

בשנת 1831, פאראדיי מצא ששדה מגנטי משתנה ממעגל אחד מייצר זרם במעגל אחר: ה-EMF שנוצר הוא פרופורציונלי לקצב השינוי של השטף המגנטי. הגיוני שהפעולה המגנטית של זרמים היא שמשמשת עד היום בכל השנאים, לא רק באלקטרומגנטים (למשל בתעשייתיים).

אפקט קל של זרם חשמלי

בצורתו הפשוטה, ניתן להבחין בהשפעה הזוהרת של זרם חשמלי במנורת ליבון, שהסליל שלה מחומם על ידי הזרם העובר דרכה לחום לבן ופולט אור.

עבור מנורת ליבון, אנרגיית האור מייצגת כ-5% מהחשמל המסופק, כאשר 95% הנותרים ממנו מומרים לחום.

מנורות פלורסנט ממירות ביעילות רבה יותר את האנרגיה הנוכחית לאור - עד 20% מהחשמל הופך לאור נראה הודות לזרחנים שמקבלים קרינה אולטרא - סגולה מפריקה חשמלית באדי כספית או בגז אינרטי כגון ניאון.

השפעת האור של זרם חשמלי מתממשת בצורה יעילה יותר בנורות LED. כאשר זרם חשמלי עובר דרך צומת pn בכיוון קדימה, נושאי המטען - אלקטרונים וחורים - מתחברים מחדש עם פליטת פוטונים (עקב מעבר אלקטרונים מרמת אנרגיה אחת לאחרת).

פולטי האור הטובים ביותר הם מוליכים למחצה בעלי פערים ישירים (כלומר, אלו שבהם מותרים מעברים אופטיים ישירים), כגון GaAs, InP, ZnSe או CdTe. על ידי שינוי הרכב המוליכים למחצה, ניתן לייצר נוריות לד לכל מיני אורכי גל מאולטרה סגול (GaN) ועד אינפרא אדום בינוני (PbS). יעילות ה-LED כמקור אור מגיעה ל-50% בממוצע.

פעולה מכנית של זרם חשמלי

כפי שצוין לעיל, כל מוליך שדרכו זורם זרם חשמלי נוצר סביב עצמו שדה מגנטי... פעולות מגנטיות מומרות לתנועה, למשל במנועים חשמליים, במכשירי הרמה מגנטיים, בשסתומים מגנטיים, בממסרים וכו'.

הפעולה המכנית של זרם אחד על זרם אחר מתוארת בחוק אמפר. חוק זה הוקם לראשונה על ידי אנדרה מארי אמפר בשנת 1820 עבור זרם ישיר. מ חוק אמפר מכאן נובע כי חוטים מקבילים עם זרמים חשמליים הזורמים בכיוון אחד מושכים ואלו בכיוונים מנוגדים דוחים.

חוק אמפר נקרא גם החוק הקובע את הכוח שבו פועל שדה מגנטי על קטע קטן של מוליך נושא זרם. הכוח שבו פועל שדה מגנטי על אלמנט של חוט נושא זרם בשדה מגנטי הוא פרופורציונלי ישר לזרם בחוט ולתוצר הווקטור של היסודות של אורך החוט והאינדוקציה המגנטית.

עיקרון זה מבוסס על הפעלת מנועים חשמליים, כאשר הרוטור ממלא את התפקיד של מסגרת עם זרם המכוון בשדה המגנטי החיצוני של הסטטור על ידי המומנט M.