Prąd elektryczny w obwodzie zawsze objawia się w jakiś sposób. Może to być albo praca pod pewnym obciążeniem, albo towarzyszący temu wpływ prądu. Zatem na podstawie wpływu prądu można ocenić jego obecność lub brak w danym obwodzie: jeśli obciążenie działa, prąd jest. Jeśli zaobserwujemy typowe zjawisko towarzyszące prądowi, oznacza to, że w obwodzie występuje prąd itp.

Ogólnie rzecz biorąc, prąd elektryczny może powodować różne skutki: termiczne, chemiczne, magnetyczne (elektromagnetyczne), świetlne lub mechaniczne, a różne rodzaje efektów prądowych często występują jednocześnie. Te zjawiska i skutki prądu zostaną omówione w tym artykule.

Efekt cieplny prądu elektrycznego

Kiedy przez przewodnik przepływa prąd stały lub przemienny, przewodnik nagrzewa się. Takimi przewodnikami grzejnymi w różnych warunkach i zastosowaniach mogą być: metale, elektrolity, plazma, metale stopione, półprzewodniki, półmetale.

W najprostszym przypadku, jeśli, powiedzmy, prąd elektryczny przepłynie przez drut nichromowy, nagrzeje się. Zjawisko to wykorzystywane jest w urządzeniach grzewczych: w czajnikach elektrycznych, bojlerach, grzejnikach, kuchenkach elektrycznych itp. Podczas spawania łukiem elektrycznym temperatura łuku elektrycznego na ogół osiąga 7000°C, a metal łatwo się topi – jest to również efekt cieplny prądu.

Ilość ciepła wydzielanego w odcinku obwodu zależy od napięcia przyłożonego do tego odcinka, wartości płynącego prądu i czasu jego przepływu ().

Po przekształceniu prawa Ohma dla odcinka obwodu możesz użyć napięcia lub prądu do obliczenia ilości ciepła, ale musisz także znać rezystancję obwodu, ponieważ to ona ogranicza prąd i w rzeczywistości powoduje ogrzewanie. Lub znając prąd i napięcie w obwodzie, równie łatwo możesz znaleźć ilość wytworzonego ciepła.

Chemiczne działanie prądu elektrycznego

Elektrolity zawierające jony pod wpływem prądu stałego - jest to chemiczne działanie prądu. Podczas elektrolizy jony ujemne (aniony) są przyciągane do elektrody dodatniej (anody), a jony dodatnie (kationy) do elektrody ujemnej (katody). Oznacza to, że substancje zawarte w elektrolicie są uwalniane na elektrodach źródła prądu podczas procesu elektrolizy.

Na przykład parę elektrod zanurza się w roztworze określonego kwasu, zasady lub soli, a gdy przez obwód przepływa prąd elektryczny, na jednej elektrodzie powstaje ładunek dodatni, a na drugiej ładunek ujemny. Jony zawarte w roztworze zaczynają osadzać się na elektrodzie o przeciwnym ładunku.

Przykładowo podczas elektrolizy siarczanu miedzi (CuSO4) kationy miedzi Cu2+ o ładunku dodatnim przemieszczają się do ujemnie naładowanej katody, gdzie otrzymują brakujący ładunek i stają się obojętnymi atomami miedzi, osadzając się na powierzchni elektrody. Grupa hydroksylowa -OH oddaje elektrony na anodzie, powodując uwolnienie tlenu. Dodatnio naładowane kationy wodoru H+ i ujemnie naładowane aniony SO42- pozostaną w roztworze.

Chemiczne działanie prądu elektrycznego wykorzystuje się w przemyśle na przykład do rozkładu wody na jej części składowe (wodór i tlen). Elektroliza umożliwia także otrzymanie niektórych metali w czystej postaci. Za pomocą elektrolizy na powierzchnię nakłada się cienką warstwę określonego metalu (niklu, chromu) - to itp.

W 1832 roku Michael Faraday ustalił, że masa m substancji uwolnionej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego q przepływającego przez elektrolit. Jeżeli przez elektrolit przepływa prąd stały I przez czas t, wówczas obowiązuje pierwsze prawo elektrolizy Faradaya:

Tutaj współczynnik proporcjonalności k nazywany jest elektrochemicznym odpowiednikiem substancji. Jest liczbowo równa masie substancji uwolnionej podczas przejścia pojedynczego ładunku elektrycznego przez elektrolit i zależy od chemicznego charakteru substancji.

W obecności prądu elektrycznego w dowolnym przewodniku (stałym, ciekłym lub gazowym) wokół przewodnika obserwuje się pole magnetyczne, to znaczy przewodnik przewodzący prąd nabiera właściwości magnetycznych.

Tak więc, jeśli przyłożysz magnes do przewodnika, przez który przepływa prąd, na przykład w postaci igły kompasu magnetycznego, wówczas igła obróci się prostopadle do przewodnika, a jeśli owiniesz przewodnik wokół żelaznego rdzenia i przejdziesz przez prąd stały przez przewodnik, rdzeń stanie się elektromagnesem.

W 1820 roku Oersted odkrył magnetyczne działanie prądu na igłę magnetyczną, a Ampere ustalił ilościowe prawa magnetycznego oddziaływania przewodników z prądem.

Pole magnetyczne jest zawsze generowane przez prąd, czyli poruszające się ładunki elektryczne, w szczególności naładowane cząstki (elektrony, jony). Przeciwnie skierowane prądy odpychają się, jednokierunkowe przyciągają się.

Taka interakcja mechaniczna zachodzi w wyniku oddziaływania pól magnetycznych prądów, to znaczy jest to przede wszystkim oddziaływanie magnetyczne, a dopiero potem mechaniczne. Zatem oddziaływanie magnetyczne prądów jest pierwotne.

W 1831 roku Faraday ustalił, że zmieniające się pole magnetyczne w jednym obwodzie generuje prąd w innym obwodzie: wygenerowany emf jest proporcjonalny do szybkości zmian strumienia magnetycznego. Logiczne jest, że to magnetyczne działanie prądów jest stosowane do dziś we wszystkich transformatorach, a nie tylko w elektromagnesach (na przykład w przemysłowych).

W najprostszej postaci efekt świetlny prądu elektrycznego można zaobserwować w żarówce, której spirala nagrzewa się pod wpływem przepływającego przez nią prądu do białego ciepła i emituje światło.

W przypadku żarówki energia świetlna stanowi około 5% dostarczanej energii elektrycznej, z czego pozostałe 95% zamieniane jest na ciepło.

Świetlówki wydajniej przekształcają energię prądu w światło - aż 20% energii elektrycznej zamieniane jest w światło widzialne dzięki luminoforowi, który otrzymuje się w wyniku wyładowania elektrycznego w parach rtęci lub w gazie obojętnym, takim jak neon.

Efekt świetlny prądu elektrycznego jest realizowany efektywniej w diodach LED. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez złącze pn w kierunku do przodu, nośniki ładunku - elektrony i dziury - łączą się ponownie z emisją fotonów (w wyniku przejścia elektronów z jednego poziomu energii na drugi).

Najlepszymi emiterami światła są półprzewodniki z bezpośrednią przerwą (to znaczy takie, które umożliwiają bezpośrednie optyczne przejścia między pasmami), takie jak GaAs, InP, ZnSe lub CdTe. Zmieniając skład półprzewodników, możliwe jest tworzenie diod LED dla różnych długości fal, od ultrafioletu (GaN) do średniej podczerwieni (PbS). Sprawność diody LED jako źródła światła sięga średnio 50%.

Jak wspomniano powyżej, każdy przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny, tworzy wokół siebie okrąg. Oddziaływania magnetyczne przekształcane są w ruch, na przykład w silnikach elektrycznych, magnetycznych urządzeniach podnoszących, zaworach magnetycznych, przekaźnikach itp.

Mechaniczne działanie jednego prądu na drugi opisuje prawo Ampera. Prawo to zostało po raz pierwszy ustanowione przez André Marie Ampère w 1820 roku dla prądu stałego. Wynika z tego, że przewodniki równoległe, w których płynie prąd elektryczny w jednym kierunku, przyciągają się, a w przeciwnych kierunkach odpychają.

Prawo Ampera jest także prawem określającym siłę, z jaką pole magnetyczne działa na mały odcinek przewodnika, w którym płynie prąd. Siła, z jaką pole magnetyczne działa na element przewodnika przewodzącego prąd znajdujący się w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do prądu w przewodniku i iloczynu wektorowego elementu długości przewodnika i indukcji magnetycznej.

Opiera się to na tej zasadzie, gdzie wirnik pełni rolę ramy z prądem, zorientowanym w zewnętrznym polu magnetycznym stojana z momentem obrotowym M.

1. Jakie jest działanie magnetyczne prądu elektrycznego? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Zdolność prądu elektrycznego przepływającego przez przewodniki drugiego typu do wytwarzania pola magnetycznego wokół tych drutów

2. Jak określić bieguny magnesu za pomocą kompasu? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Biegun północny strzałki przyciągany jest do bieguna południowego magnesu, biegun południowy do północy.

3. Jak wykryć obecność pola magnetycznego w przestrzeni? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Na przykład za pomocą opiłków żelaza. Pod wpływem pola magnetycznego prądu opiłki żelaza gromadzą się wokół przewodnika nie losowo, ale po koncentrycznym okręgu.

4. Jak za pomocą kompasu określić, czy w przewodniku płynie prąd? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Jeśli igła kompasu jest ustawiona prostopadle do drutu, oznacza to, że w drucie płynie prąd stały.

5. Czy można pociąć magnes tak, aby jeden z powstałych magnesów miał tylko biegun północny, a drugi tylko południowy? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

Nie ma możliwości oddzielenia biegunów od siebie poprzez przecięcie. Bieguny magnetyczne występują tylko w parach.

6. Jak bez użycia amperomierza można sprawdzić, czy w przewodzie płynie prąd?

• Używanie igły magnetycznej reagującej na prąd płynący w przewodzie.
• Używając czułego woltomierza, podłączając go do końców drutu.

Obecność prądu w obwodzie elektrycznym zawsze objawia się jakimś działaniem. Na przykład praca pod określonym obciążeniem lub związane z tym zjawisko. W konsekwencji to działanie prądu elektrycznego wskazuje na jego obecność jako taką w określonym obwodzie elektrycznym. Oznacza to, że jeśli obciążenie działa, wówczas następuje prąd.

Wiadomo, że prąd elektryczny powoduje różnego rodzaju skutki. Należą do nich na przykład termiczne, chemiczne, magnetyczne, mechaniczne lub świetlne. W takim przypadku różne skutki prądu elektrycznego mogą objawiać się jednocześnie. O wszystkich przejawach w tym materiale powiemy Ci bardziej szczegółowo.

Zjawisko termiczne

Wiadomo, że temperatura przewodnika wzrasta, gdy przepływa przez niego prąd. Takimi przewodnikami są różne metale lub ich stopy, półmetale lub półprzewodniki, a także elektrolity i plazma. Na przykład, gdy prąd elektryczny przepływa przez drut nichromowy, staje się on bardzo gorący. Zjawisko to wykorzystywane jest w urządzeniach grzewczych, a mianowicie: w czajnikach elektrycznych, bojlerach, grzejnikach itp. Spawanie łukiem elektrycznym ma najwyższą temperaturę, a mianowicie nagrzewanie łuku elektrycznego może osiągnąć nawet 7000 stopni Celsjusza. W tej temperaturze osiąga się łatwe topienie metalu.

Ilość wytworzonego ciepła zależy bezpośrednio od tego, jakie napięcie zostało przyłożone do danej sekcji, a także od prądu elektrycznego i czasu jego przepływu przez obwód.

Aby obliczyć ilość wytworzonego ciepła, stosuje się napięcie lub prąd. W takim przypadku konieczna jest znajomość wskaźnika rezystancji w obwodzie elektrycznym, ponieważ to on powoduje nagrzewanie z powodu ograniczenia prądu. Ilość ciepła można również określić za pomocą prądu i napięcia.

zjawisko chemiczne

Efektem chemicznym prądu elektrycznego jest elektroliza jonów w elektrolicie. Podczas elektrolizy anoda przyłącza się do siebie aniony, a katoda – kationy.

Innymi słowy, podczas elektrolizy na elektrodach źródła prądu uwalniają się pewne substancje.

Podajmy przykład: dwie elektrody zanurza się w roztworze kwaśnym, zasadowym lub solnym. Następnie przez obwód elektryczny przepływa prąd, co powoduje wytworzenie ładunku dodatniego na jednej z elektrod i ładunku ujemnego na drugiej. Jony znajdujące się w roztworze osadzają się na elektrodzie z różnym ładunkiem.

Chemiczne działanie prądu elektrycznego wykorzystywane jest w przemyśle. Zatem wykorzystując to zjawisko, woda rozkłada się na tlen i wodór. Ponadto za pomocą elektrolizy uzyskuje się metale w czystej postaci, a powierzchnie są również galwanizowane.

Zjawisko magnetyczne

Prąd elektryczny w przewodniku o dowolnym stanie skupienia wytwarza pole magnetyczne. Innymi słowy, przewodnik z prądem elektrycznym ma właściwości magnetyczne.

Tak więc, jeśli zbliżysz igłę kompasu magnetycznego do przewodnika, w którym przepływa prąd elektryczny, zacznie się ona obracać i przyjmie pozycję prostopadłą do przewodnika. Jeśli owiniesz ten przewodnik wokół żelaznego rdzenia i przepuścisz przez niego prąd stały, wówczas rdzeń ten nabierze właściwości elektromagnesu.

Naturą pola magnetycznego jest zawsze obecność prądu elektrycznego. Wyjaśnijmy: poruszające się ładunki (naładowane cząstki) tworzą pole magnetyczne. W tym przypadku prądy o przeciwnych kierunkach odpychają się, a prądy o tym samym kierunku przyciągają. Oddziaływanie to opiera się na magnetycznym i mechanicznym oddziaływaniu pól magnetycznych i prądów elektrycznych. Okazuje się, że najważniejsze jest oddziaływanie magnetyczne prądów.

Działanie magnetyczne stosuje się w transformatorach i elektromagnesach.

Zjawisko świetlne

Najprostszym przykładem działania światła jest żarówka. W tym źródle światła spirala osiąga pożądaną wartość temperatury poprzez przepływający przez nią prąd do stanu białego ciepła. W ten sposób emitowane jest światło. W tradycyjnej żarówce tylko pięć procent całej energii elektrycznej jest zużywane na światło, a pozostała lwia część zamieniana jest na ciepło.

Bardziej nowoczesne analogi, na przykład świetlówki, najskuteczniej przekształcają energię elektryczną w światło. Oznacza to, że około dwadzieścia procent całej energii leży w świetle. Fosfor otrzymuje promieniowanie UV pochodzące z wyładowań zachodzących w parach rtęci lub gazach obojętnych.

Najbardziej efektywna realizacja lekkiego działania prądu występuje w. Prąd elektryczny przepływający przez złącze pn powoduje rekombinację nośników ładunku z emisją fotonów. Najlepsze emitery światła LED to półprzewodniki z bezpośrednią przerwą. Zmieniając skład tych półprzewodników, możliwe jest tworzenie diod LED dla różnych fal świetlnych (różne długości i zasięgi). Sprawność diody LED sięga 50 procent.

Zjawisko mechaniczne

Przypomnijmy, że pole magnetyczne powstaje wokół przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Wszystkie działania magnetyczne zamieniają się w ruch. Przykładami są silniki elektryczne, magnetyczne zespoły podnoszące, przekaźniki itp.

W 1820 roku Andre Marie Ampère wyprowadził dobrze znane „prawo Ampera”, które opisuje mechaniczny wpływ jednego prądu elektrycznego na drugi.

Prawo to stanowi, że przewodniki równoległe, w których płynie prąd elektryczny w tym samym kierunku, przyciągają się wzajemnie, a przewodniki płynące w przeciwnym kierunku – przeciwnie – odpychają.

Prawo ampera określa również wielkość siły, z jaką pole magnetyczne działa na mały odcinek przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. To właśnie ta siła leży u podstaw działania silnika elektrycznego.

Najprostsze zjawiska elektryczne i magnetyczne znane są ludziom od czasów starożytnych.

Podobno już 600 p.n.e. mi. Grecy wiedzieli, że magnes przyciąga żelazo, a potarty bursztyn przyciąga lekkie przedmioty, np. słomki itp. Jednak różnica pomiędzy przyciąganiem elektrycznym i magnetycznym nie była jeszcze jasna; oba uznano za zjawiska o tej samej naturze.

Wyraźne rozróżnienie tych zjawisk jest zasługą angielskiego lekarza i przyrodnika Williama Gilberta (1544-1603), który w 1600 roku opublikował książkę pt. „O magnesie, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie – Ziemia”. Dzięki tej książce rozpoczynają się prawdziwie naukowe badania zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Gilbert opisał w swojej książce wszystkie znane w jego epoce właściwości magnesów, a także przedstawił wyniki własnych, bardzo ważnych eksperymentów. Wskazał na szereg znaczących różnic między przyciąganiem elektrycznym i magnetycznym i ukuł słowo „elektryczność”.

Chociaż po Gilbercie różnica między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi była już dla wszystkich bezdyskusyjnie jasna, to jednak szereg faktów wskazywało, że pomimo wszystkich różnic, zjawiska te są w jakiś sposób ściśle i nierozerwalnie ze sobą powiązane. Najbardziej uderzającymi faktami było namagnesowanie przedmiotów żelaznych i ponowne namagnesowanie igieł magnetycznych pod wpływem pioruna. W swojej pracy „Grzmoty i błyskawice” francuski fizyk Dominique François Arago (1786-1853) opisuje na przykład taki przypadek. „W lipcu 1681 roku statek „Queen”, położony sto mil od wybrzeża, na otwartym morzu, został uderzony piorunem, co spowodowało znaczne uszkodzenia masztów, żagli itp. Gdy zapadła noc, stało się jasne z położenie gwiazd, że z trzech kompasów znajdujących się na statku dwa zamiast wskazywać północ, zaczęły wskazywać południe, a trzeci zaczął wskazywać zachód”. Arago opisuje także przypadek, gdy piorun uderzył w dom, w którym znajdowały się silnie namagnesowane stalowe noże, widelce i inne przedmioty.

Na początku XVIII wieku ustalono już, że piorun to w rzeczywistości silny prąd elektryczny przepływający przez powietrze; dlatego fakty takie jak te opisane powyżej mogą sugerować pogląd, że każdy prąd elektryczny ma pewnego rodzaju właściwości magnetyczne. Jednak te właściwości prądu zostały odkryte eksperymentalnie i zbadane dopiero w 1820 roku przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda (1777-1851).

Główny eksperyment Oersteda przedstawiono na ryc. 199. Nad nieruchomym drutem 1, umieszczonym wzdłuż południka, tj. w kierunku północ-południe, na cienkiej nitce zawieszona jest igła magnetyczna 2 (ryc. 199, a). Jak wiadomo, strzałka jest również zainstalowana w przybliżeniu wzdłuż linii północ-południe i dlatego znajduje się w przybliżeniu równolegle do drutu. Ale gdy tylko zamkniemy klucz i prześlemy prąd przez drut 1, zobaczymy, że igła magnetyczna obraca się, próbując ustawić się pod kątem prostym do niej, to znaczy w płaszczyźnie prostopadłej do drutu (ryc. 199, b ). To fundamentalne doświadczenie pokazuje, że w przestrzeni otaczającej przewodnik z prądem działają siły powodujące ruch igły magnetycznej, czyli siły podobne do tych, które działają w pobliżu magnesów naturalnych i sztucznych. Siły takie będziemy nazywać siłami magnetycznymi, tak jak siły działające na ładunki elektryczne nazywamy elektrycznymi.

Ryż. 199. Doświadczenie Oersteda z igłą magnetyczną ujawniające istnienie pola magnetycznego prądu: 1 – drut, 2 – igła magnetyczna zawieszona równolegle do drutu, 3 – bateria ogniw galwanicznych, 4 – reostat, 5 – klucz

w rozdz. II wprowadziliśmy pojęcie pola elektrycznego, aby oznaczyć ten szczególny stan przestrzeni, który objawia się działaniem sił elektrycznych. W ten sam sposób polem magnetycznym nazwiemy ten stan przestrzeni, który daje się odczuć pod wpływem działania sił magnetycznych. Tym samym doświadczenie Oersteda dowodzi, że w przestrzeni otaczającej prąd elektryczny powstają siły magnetyczne, czyli powstaje pole magnetyczne.

Pierwsze pytanie, jakie zadał sobie Oersted po dokonaniu swojego niezwykłego odkrycia, brzmiało: czy substancja drutu wpływa na pole magnetyczne wytwarzane przez prąd? „Przewód łączący” – pisze Oersted – „może składać się z kilku drutów lub metalowych pasków. Charakter metalu nie zmienia wyniku, z wyjątkiem być może rozmiaru.

Z tym samym rezultatem zastosowaliśmy druty wykonane z platyny, złota, srebra, mosiądzu i żelaza, a także polietylenu cyny i ołowiu oraz rtęci.

Oersted wszystkie swoje eksperymenty przeprowadzał z metalami, to znaczy z przewodnikami, w których przewodnictwo, jak wiemy, ma charakter elektroniczny. Nie jest jednak trudno przeprowadzić doświadczenie Oersteda, zastępując metalowy drut rurką zawierającą elektrolit lub rurką, w której następuje wyładowanie w gazie. Opisaliśmy już takie eksperymenty w § 40 (ryc. 73) i widzieliśmy, że chociaż w tych przypadkach prąd elektryczny wynika z ruchu jonów dodatnich i ujemnych, jego wpływ na igłę magnetyczną jest taki sam jak w przypadku prądu w metalowym przewodniku. Niezależnie od rodzaju przewodnika, przez który przepływa prąd, wokół przewodnika zawsze wytwarza się pole magnetyczne, pod wpływem którego obraca się strzałka, która ma tendencję do ustawiania się prostopadle do kierunku prądu.

Można zatem powiedzieć: wokół każdego prądu powstaje pole magnetyczne. Wspomnieliśmy już o tej najważniejszej właściwości prądu elektrycznego (§ 40), kiedy mówiliśmy bardziej szczegółowo o jego innych skutkach - termicznym i chemicznym.

Spośród trzech właściwości lub przejawów prądu elektrycznego najbardziej charakterystyczną jest wytwarzanie pola magnetycznego. Chemiczne działanie prądu w niektórych przewodnikach - elektrolitach - ma miejsce, w innych - metalach - jest nieobecne. Ciepło wytwarzane przez prąd może być większe lub mniejsze przy tym samym prądzie, w zależności od rezystancji przewodnika. W nadprzewodnikach możliwy jest nawet przepływ prądu bez wytwarzania ciepła (§ 49). Ale pole magnetyczne jest nieodłącznym towarzyszem każdego prądu elektrycznego. Nie zależy to od żadnych specjalnych właściwości konkretnego przewodnika i zależy jedynie od siły i kierunku prądu. Większość technicznych zastosowań energii elektrycznej wiąże się również z obecnością pola magnetycznego prądu.

Rozwój