تأثيرات التيار الكهربائي: حراري وكيميائي ومغناطيسي وخفيف وميكانيكي

يتجلى التيار الكهربائي في الدائرة دائمًا من خلال نوع من عمله. يمكن أن تكون هذه العملية عند حمولة معينة والتأثير المصاحب للتيار. وبالتالي ، من خلال عمل التيار ، يمكن الحكم على وجوده أو غيابه في دائرة معينة: إذا كان الحمل يعمل ، فهناك تيار. إذا لوحظت ظاهرة نموذجية مصاحبة للتيار ، فهناك تيار في الدائرة ، إلخ.

من حيث المبدأ ، يمكن للتيار الكهربائي أن يتسبب في إجراءات مختلفة: حرارية ، وكيميائية ، ومغناطيسية (كهرومغناطيسية) ، وضوء أو ميكانيكي ، وغالبًا ما تحدث أنواع مختلفة من الإجراءات الحالية في وقت واحد. ستتم مناقشة هذه الظواهر والإجراءات الحالية في هذه المقالة.

التأثير الحراري للتيار الكهربائي

عندما يتدفق التيار المباشر أو المتناوب عبر سلك ، يسخن السلك. يمكن أن تكون أسلاك التسخين هذه في ظل ظروف وتطبيقات مختلفة: المعادن ، والكهارل ، والبلازما ، والمعادن المنصهرة ، وأشباه الموصلات ، وأشباه المعادن.

في أبسط الحالات ، على سبيل المثال ، إذا مر تيار كهربائي عبر سلك نيتشروم ، فسوف يسخن. تستخدم هذه الظاهرة في أجهزة التدفئة: في الغلايات الكهربائية ، في الغلايات ، في السخانات ، والمواقد الكهربائية ، إلخ. في اللحام بالقوس الكهربائي ، تصل درجة حرارة القوس الكهربائي عادة إلى 7000 درجة مئوية ، ويذوب المعدن بسهولة ، وهذا أيضًا تأثير حراري للتيار.

تعتمد كمية الحرارة المنبعثة في قسم الدائرة على الجهد المطبق على هذا القسم ، وقيمة التيار المتدفق ووقت تدفقه (قانون جول لينز).

بمجرد قيامك بتحويل قانون أوم لقسم من الدائرة ، يمكنك استخدام الجهد أو التيار لحساب كمية الحرارة ، ولكن بعد ذلك يجب أن تعرف مقاومة الدائرة لأنها تحد من التيار وتسبب التسخين بالفعل. أو ، بمعرفة التيار والجهد في الدائرة ، يمكنك بسهولة العثور على كمية الحرارة المتولدة.

العمل الكيميائي للتيار الكهربائي

المنحلات بالكهرباء التي تحتوي على أيونات عن طريق التيار الكهربائي المباشر كهربائيا - هذا هو الفعل الكيميائي للتيار. تنجذب الأيونات السالبة (الأنيونات) إلى القطب الموجب (الأنود) أثناء التحليل الكهربائي ، وتنجذب الأيونات الموجبة (الكاتيونات) إلى القطب السالب (الكاثود). أي أن المواد الموجودة في الإلكتروليت يتم إطلاقها أثناء التحليل الكهربائي عند أقطاب المصدر الحالي.

على سبيل المثال ، يتم غمر زوج من الأقطاب الكهربائية في محلول من حمض أو قلوي أو ملح معين ، وعندما يمر تيار كهربائي عبر الدائرة ، يتم إنشاء شحنة موجبة على أحد القطبين وشحنة سالبة على الآخر. تبدأ الأيونات الموجودة في المحلول في الترسب على القطب الكهربائي بشحنة عكسية.

على سبيل المثال ، أثناء التحليل الكهربائي لكبريتات النحاس (CuSO4) ، تتحرك الكاتيونات النحاسية Cu2 + بشحنة موجبة إلى القطب السالب الشحنة ، حيث تتلقى الشحنة المفقودة ، وتتحول إلى ذرات نحاسية محايدة ، وتستقر على سطح القطب. ستتبرع مجموعة الهيدروكسيل -OH بالإلكترونات إلى القطب الموجب وسيتم إطلاق الأكسجين نتيجة لذلك. ستبقى كاتيونات الهيدروجين موجبة الشحنة H + والأنيونات سالبة الشحنة SO42 في المحلول.

يستخدم الإجراء الكيميائي للتيار الكهربائي في الصناعة ، على سبيل المثال ، لتفكيك الماء إلى أجزائه المكونة (الهيدروجين والأكسجين). أيضًا ، يسمح لك التحليل الكهربائي بالحصول على بعض المعادن في شكلها النقي. بمساعدة التحليل الكهربائي ، يتم وضع طبقة رقيقة من معدن معين (النيكل والكروم) على السطح - هذا كل شيء طلاء كلفاني إلخ.

في عام 1832 ، أثبت مايكل فاراداي أن الكتلة بالمتر من المادة المنبعثة عند القطب الكهربي تتناسب طرديًا مع الشحنة الكهربائية q التي تمر عبر الإلكتروليت. إذا كان التيار المباشر يتدفق عبر الإلكتروليت للوقت t ، فإن قانون فاراداي الأول للتحليل الكهربائي ينطبق:

هنا يسمى عامل التناسب k بالمكافئ الكهروكيميائي للمادة. وهي تساوي عدديًا كتلة المادة التي يتم إطلاقها عندما تمر شحنة كهربائية عبر الإلكتروليت ، وتعتمد على الطبيعة الكيميائية للمادة.

العمل المغناطيسي للتيار الكهربائي

في حالة وجود تيار كهربائي في أي موصل (في حالة صلبة أو سائلة أو غازية) ، يتم ملاحظة مجال مغناطيسي حول الموصل ، أي أن الموصل الحامل للتيار يكتسب خصائص مغناطيسية.

لذلك ، إذا تم إحضار مغناطيس إلى السلك الذي يتدفق من خلاله التيار ، على سبيل المثال في شكل إبرة بوصلة مغناطيسية ، فإن الإبرة ستدور بشكل عمودي على السلك ، وإذا قمت بلف السلك على قلب حديدي ومرت بمسار مباشر التيار عبر السلك ، سيصبح اللب مغناطيسًا كهربائيًا.

في عام 1820 ، اكتشف أورستد التأثير المغناطيسي للتيار على إبرة مغناطيسية ، وأسس أمبير القوانين الكمية للتفاعل المغناطيسي بين الأسلاك الحاملة للتيار.

يتم إنشاء المجال المغناطيسي دائمًا بالتيار ، أي الشحنات الكهربائية المتحركة ، على وجه الخصوص - الجسيمات المشحونة (الإلكترونات ، الأيونات). التيارات المعاكسة تتنافر مع بعضها البعض ، تجذب التيارات أحادية الاتجاه بعضها البعض.

يحدث مثل هذا التفاعل الميكانيكي بسبب تفاعل المجالات المغناطيسية للتيارات ، أي أنه أولاً وقبل كل شيء تفاعل مغناطيسي ، وبعد ذلك فقط - ميكانيكي. وبالتالي ، فإن التفاعل المغناطيسي للتيارات أساسي.

في عام 1831 ، وجد فاراداي أن مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا من دائرة واحدة يولد تيارًا في دائرة أخرى: يتناسب المجال الكهرومغناطيسي المتولد مع معدل تغير التدفق المغناطيسي. من المنطقي أن يكون العمل المغناطيسي للتيارات المستخدمة حتى يومنا هذا في جميع المحولات ، وليس فقط في المغناطيسات الكهربائية (على سبيل المثال ، في المحولات الصناعية).

تأثير الضوء للتيار الكهربائي

في أبسط أشكاله ، يمكن ملاحظة التأثير المضيء للتيار الكهربائي في المصباح المتوهج ، حيث يتم تسخين ملفه بواسطة التيار الذي يمر عبره إلى حرارة بيضاء ويصدر الضوء.

بالنسبة للمصباح المتوهج ، تمثل الطاقة الضوئية حوالي 5٪ من الكهرباء التي يتم توصيلها ، ويتم تحويل 95٪ المتبقية منها إلى حرارة.

تحول المصابيح الفلورية بشكل أكثر كفاءة الطاقة الحالية إلى ضوء - يتم تحويل ما يصل إلى 20٪ من الكهرباء إلى ضوء مرئي بفضل الفوسفور الذي يستقبلها الأشعة فوق البنفسجية من تفريغ كهربائي في بخار الزئبق أو في غاز خامل مثل النيون.

يتم تحقيق تأثير الضوء للتيار الكهربائي بشكل أكثر فعالية في مصابيح LED. عندما يمر تيار كهربائي عبر تقاطع pn في الاتجاه الأمامي ، تتحد حاملات الشحنة - الإلكترونات والثقوب - مع انبعاث الفوتونات (بسبب انتقال الإلكترونات من مستوى طاقة إلى آخر).

أفضل بواعث الضوء هي أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة (أي تلك التي يُسمح فيها بالتحولات الضوئية المباشرة) ، مثل GaAs أو InP أو ZnSe أو CdTe. من خلال تغيير تكوين أشباه الموصلات ، يمكن تصنيع مصابيح LED لجميع أنواع الأطوال الموجية من الأشعة فوق البنفسجية (GaN) إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (PbS). تصل كفاءة LED كمصدر للضوء إلى متوسط ​​50٪.

العمل الميكانيكي للتيار الكهربائي

كما هو مذكور أعلاه ، فإن أي موصل يتدفق من خلاله تيار كهربائي يتشكل حول نفسه حقل مغناطيسي... يتم تحويل الإجراءات المغناطيسية إلى حركة ، على سبيل المثال في المحركات الكهربائية وأجهزة الرفع المغناطيسية والصمامات المغناطيسية والمرحلات وما إلى ذلك.

يصف قانون أمبير الفعل الميكانيكي لتيار على آخر. تم وضع هذا القانون لأول مرة بواسطة Andre Marie Ampere في عام 1820 للتيار المباشر. من قانون امبير ويترتب على ذلك أن الأسلاك المتوازية ذات التيارات الكهربائية المتدفقة في اتجاه واحد تتجاذب وتلك التي في اتجاهين متعاكسين تتنافر.

يُطلق على قانون أمبير أيضًا القانون الذي يحدد القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على جزء صغير من الموصل الحامل للتيار. تتناسب القوة التي يعمل بها المجال المغناطيسي على عنصر من السلك الحامل للتيار في مجال مغناطيسي بشكل مباشر مع التيار في السلك ومنتج متجه العنصر لطول السلك والحث المغناطيسي.

يعتمد هذا المبدأ على تشغيل المحركات الكهربائية، حيث يلعب الجزء المتحرك دور إطار بتيار موجه في المجال المغناطيسي الخارجي للجزء الثابت بواسطة عزم الدوران M.