Elektrivoolu toimed: termiline, keemiline, magnetiline, kerge ja mehaaniline

Elektrivool ahelas avaldub alati mingi oma tegevuse kaudu. See võib olla nii töötamine teatud koormusel kui ka sellega kaasnev voolu mõju. Seega saab voolu mõjul hinnata selle olemasolu või puudumist antud vooluringis: kui koormus töötab, on vool olemas. Kui täheldada tüüpilist vooluga kaasnevat nähtust, on vooluringis vool jne.

Põhimõtteliselt on elektrivool võimeline tekitama erinevaid toimeid: termilisi, keemilisi, magnetilisi (elektromagnetilisi), kergeid või mehaanilisi ning erinevat tüüpi voolumõjud toimuvad sageli samaaegselt. Neid praeguseid nähtusi ja tegevusi käsitletakse selles artiklis.

Elektrivoolu termiline mõju

Kui alalis- või vahelduvvool voolab läbi juhtme, siis traat kuumeneb. Sellised küttetraadid erinevates tingimustes ja rakendustes võivad olla: metallid, elektrolüüdid, plasma, sulametallid, pooljuhid, poolmetallid.

Lihtsamal juhul, kui näiteks elektrivool läbib nikroomtraadi, siis see soojeneb. Seda nähtust kasutatakse kütteseadmetes: elektrilistes veekeetjates, kateldes, küttekehades, elektripliitides jne. Elektrikaare keevitamisel ulatub elektrikaare temperatuur tavaliselt 7000 ° C-ni ja metall sulab kergesti, see on ka voolu soojusefekt.

Ahela sektsioonis vabanev soojushulk sõltub sellele sektsioonile rakendatavast pingest, voolava voolu väärtusest ja selle voolamise ajast (Joule-Lenzi seadus).

Kui olete vooluringi lõigu Ohmi seaduse teisendanud, saate soojushulga arvutamiseks kasutada kas pinget või voolu, kuid siis peate teadma ahela takistust, kuna see piirab voolu ja põhjustab tegelikult kuumenemist. Või teades vooluahelas olevat voolu ja pinget, saate sama lihtsalt leida tekkiva soojushulga.

Elektrivoolu keemiline toime

Elektrolüüdid, mis sisaldavad ioone alalisvoolu mõjul elektrolüüsitud — see on voolu keemiline toime. Negatiivsed ioonid (anioonid) tõmbuvad elektrolüüsi käigus positiivse elektroodi (anoodi) poole ja positiivsed ioonid (katioonid) negatiivse elektroodi (katoodi) poole. See tähendab, et elektrolüüdis sisalduvad ained vabanevad elektrolüüsi käigus vooluallika elektroodidel.

Näiteks kastetakse elektroodide paar teatud happe, leelise või soola lahusesse ja kui elektrivool läbib ahelat, tekib ühele elektroodile positiivne ja teisele negatiivne laeng. Lahuses sisalduvad ioonid hakkavad elektroodile sadestuma pöördlaadimisega.

Näiteks vasksulfaadi (CuSO4) elektrolüüsi käigus liiguvad positiivse laenguga vasektioonid Cu2 + negatiivse laenguga katoodile, kus nad saavad puuduva laengu ja muutuvad neutraalseteks vase aatomiteks, settides elektroodi pinnale. Hüdroksüülrühm -OH loovutab anoodile elektrone ja selle tulemusena vabaneb hapnik. Positiivselt laetud vesiniku katioonid H + ja negatiivselt laetud SO42- anioonid jäävad lahusesse.

Elektrivoolu keemilist toimet kasutatakse tööstuses näiteks vee jaotamiseks selle koostisosadeks (vesinik ja hapnik). Samuti võimaldab elektrolüüs saada mõningaid metalle nende puhtal kujul. Elektrolüüsi abil kantakse pinnale õhuke kiht teatud metalli (nikkel, kroom) - see on kõik galvaaniline kate jne.

1832. aastal tegi Michael Faraday kindlaks, et elektroodil eralduva aine mass m on otseselt võrdeline elektrolüüti läbinud elektrilaenguga q. Kui alalisvool I voolab läbi elektrolüüdi aja t, siis kehtib Faraday esimene elektrolüüsi seadus:

Siin nimetatakse proportsionaalsustegurit k aine elektrokeemiliseks ekvivalendiks. See on arvuliselt võrdne elektrolüüdi läbimisel elektrilaenguga vabaneva aine massiga ja sõltub aine keemilisest olemusest.

Elektrivoolu magnetiline toime

Elektrivoolu olemasolul mis tahes juhis (tahkes, vedelas või gaasilises olekus) täheldatakse juhi ümber magnetvälja, see tähendab, et voolu juhtiv juht omandab magnetilised omadused.

Nii et kui juhtmele, mille kaudu vool voolab, tuuakse magnet näiteks magnetkompassi nõela kujul, siis nõel pöördub juhtmega risti ja kui kerida traat raudsüdamikule ja läbida otse voolu läbi juhtme, muutub südamik elektromagnetiks.

1820. aastal avastas Oersted voolu magnetilise mõju magnetnõelale ja Ampere kehtestas voolu juhtivate juhtmete magnetilise vastasmõju kvantitatiivsed seadused.

Magnetvälja genereerib alati vool, see tähendab liikuvad elektrilaengud, eriti laetud osakesed (elektronid, ioonid). Vastandvoolud tõrjuvad üksteist, ühesuunalised voolud tõmbavad üksteist.

Selline mehaaniline interaktsioon toimub voolude magnetvälja vastasmõju tõttu, see tähendab, et see on ennekõike magnetiline interaktsioon ja alles seejärel mehaaniline. Seega on voolude magnetiline vastastikmõju esmane.

1831. aastal leidis Faraday, et muutuv magnetväli ühest vooluringist tekitab voolu teises vooluringis: tekkiv EMF on võrdeline magnetvoo muutumise kiirusega. On loogiline, et voolude magnetilist toimet kasutatakse tänapäevani kõigis trafodes, mitte ainult elektromagnetides (näiteks tööstuslikes).

Elektrivoolu valgusefekt

Lihtsamal kujul saab elektrivoolu valgusefekti jälgida hõõglambis, mille mähis kuumeneb seda läbiva voolu toimel valgesoojaks ja kiirgab valgust.

Hõõglambi puhul moodustab valgusenergia umbes 5% tarnitud elektrienergiast, millest ülejäänud 95% muundatakse soojuseks.

Luminofoorlambid muudavad vooluenergia tõhusamalt valguseks – kuni 20% elektrist muundatakse nähtavaks valguseks tänu vastuvõetud luminofooridele. ultraviolettkiirgust elektrilahendus elavhõbedaaurus või inertgaasis, näiteks neoonis.

Elektrivoolu valgusefekt realiseerub efektiivsemalt LED-ides. Kui elektrivool läbib pn-siirde edasisuunas, ühinevad laengukandjad – elektronid ja augud – footonite emissiooniga (elektronide ülemineku tõttu ühelt energiatasemelt teisele).

Parimad valguskiirgurid on otsese vahega pooljuhid (st need, milles on lubatud otsesed optilised üleminekud), nagu GaAs, InP, ZnSe või CdTe. Pooljuhtide koostist muutes saab LED-e valmistada igasuguste lainepikkuste jaoks ultraviolettkiirgusest (GaN) kuni keskmise infrapunani (PbS). LED-i efektiivsus valgusallikana ulatub keskmiselt 50%-ni.

Elektrivoolu mehaaniline toime

Nagu eespool märgitud, moodustub iga juht, mille kaudu elektrivool voolab, enda ümber magnetväli… Magnetilised toimingud muudetakse liikumiseks, näiteks elektrimootorites, magnetilistes tõsteseadmetes, magnetventiilides, releedes jne.

Ühe voolu mehaanilist toimet teisele kirjeldab Ampere'i seadus. Selle seaduse kehtestas esmakordselt Andre Marie Ampere 1820. aastal alalisvoolu jaoks. Alates Ampere'i seadus sellest järeldub, et ühes suunas voolavate elektrivooludega paralleelsed juhtmed tõmbavad ligi ja vastassuunalised tõrjuvad.

Ampere'i seadust nimetatakse ka seaduseks, mis määrab jõu, millega magnetväli voolu juhtiva juhi väikesele segmendile mõjub. Jõud, millega magnetväli mõjub magnetväljas voolu juhtiva juhtme elemendile, on otseselt võrdeline juhtmes oleva vooluga ning juhtme pikkuse ja magnetinduktsiooni elemendi vektorkorrutisega.

See põhimõte põhineb elektrimootorite töö, kus rootor mängib raami rolli, mille vool on pöördemomendi M abil orienteeritud staatori välisesse magnetvälja.