Hoạt động của dòng điện: nhiệt, hóa học, từ tính, ánh sáng và cơ học

Dòng điện trong mạch luôn biểu hiện qua một số dạng tác dụng của nó. Đây có thể là cả hoạt động ở một tải nhất định và tác động đồng thời của dòng điện. Do đó, bằng tác động của dòng điện, có thể đánh giá sự hiện diện hay vắng mặt của nó trong một mạch nhất định: nếu tải đang hoạt động thì có dòng điện. Nếu một hiện tượng điển hình đi kèm với dòng điện được quan sát, thì có một dòng điện trong mạch, v.v.

Về nguyên tắc, dòng điện có thể gây ra các tác động khác nhau: nhiệt, hóa học, từ tính (điện từ), ánh sáng hoặc cơ học và các loại tác động dòng điện khác nhau thường xảy ra đồng thời. Những hiện tượng và hành động hiện tại sẽ được thảo luận trong bài viết này.

Tác dụng nhiệt của dòng điện

Khi có dòng điện một chiều hoặc xoay chiều chạy qua dây dẫn thì dây nóng lên. Các dây đốt nóng như vậy trong các điều kiện và ứng dụng khác nhau có thể là: kim loại, chất điện phân, plasma, kim loại nóng chảy, chất bán dẫn, bán kim loại.

Trong trường hợp đơn giản nhất, chẳng hạn, nếu một dòng điện chạy qua một dây niken, thì nó sẽ nóng lên. Hiện tượng này được sử dụng trong các thiết bị sưởi ấm: trong ấm điện, nồi hơi, lò sưởi, bếp điện, v.v. Trong hàn hồ quang điện, nhiệt độ của hồ quang điện thường đạt tới 7000°C, kim loại dễ nóng chảy, đây cũng là một tác dụng nhiệt của dòng điện.

Lượng nhiệt giải phóng trong phần của mạch phụ thuộc vào điện áp đặt vào phần này, giá trị của dòng điện chạy qua và thời gian của dòng điện (Định luật Joule-Lenz).

Khi bạn đã chuyển đổi định luật Ohm cho một phần của mạch, bạn có thể sử dụng điện áp hoặc dòng điện để tính lượng nhiệt, nhưng sau đó bạn phải biết điện trở của mạch vì nó giới hạn dòng điện và thực sự gây ra nhiệt. Hoặc, khi biết cường độ dòng điện và điện áp trong mạch, bạn có thể dễ dàng tìm thấy lượng nhiệt sinh ra.

Tác dụng hóa học của dòng điện

Điện phân có chứa ion bằng dòng điện trực tiếp điện phân - đây là tác dụng hóa học của dòng điện. Các ion âm (anion) bị hút vào điện cực dương (cực dương) trong quá trình điện phân và các ion dương (cation) bị hút vào điện cực âm (cực âm). Đó là, các chất chứa trong chất điện phân được giải phóng trong quá trình điện phân ở các điện cực của nguồn hiện tại.

Ví dụ, một cặp điện cực được ngâm trong dung dịch axit, kiềm hoặc muối nhất định và khi có dòng điện chạy qua mạch, một điện tích dương được tạo ra trên một điện cực và điện tích âm trên điện cực kia. Các ion chứa trong dung dịch bắt đầu lắng đọng trên điện cực với điện tích ngược.

Ví dụ, trong quá trình điện phân đồng sunfat (CuSO4), các cation đồng Cu2+ mang điện tích dương di chuyển sang cực âm tích điện âm, tại đây chúng nhận điện tích còn thiếu và biến thành các nguyên tử đồng trung tính lắng đọng trên bề mặt điện cực. Nhóm hydroxyl -OH sẽ tặng electron cho cực dương và kết quả là oxy sẽ được giải phóng. Các cation hydro H+ tích điện dương và các anion SO42- tích điện âm sẽ ở lại trong dung dịch.

Tác dụng hóa học của dòng điện được sử dụng trong công nghiệp, ví dụ, để phân hủy nước thành các bộ phận cấu thành của nó (hydro và oxy). Ngoài ra, điện phân cho phép bạn thu được một số kim loại ở dạng nguyên chất. Với sự trợ giúp của quá trình điện phân, một lớp mỏng của một kim loại nhất định (niken, crom) được phủ lên bề mặt - thế là xong sơn mạ điện vân vân.

Năm 1832, Michael Faraday xác định rằng khối lượng m của chất giải phóng ở điện cực tỷ lệ thuận với điện tích q đi qua chất điện phân. Nếu dòng điện một chiều I chạy qua chất điện phân trong thời gian t, thì định luật điện phân thứ nhất của Faraday được áp dụng:

Ở đây hệ số tỉ lệ k được gọi là đương lượng điện hoá của chất đó. Nó bằng số với khối lượng của một chất được giải phóng khi một điện tích đi qua chất điện phân và phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất đó.

Tác dụng từ của dòng điện

Khi có dòng điện trong bất kỳ dây dẫn nào (ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí), từ trường được quan sát xung quanh dây dẫn, nghĩa là dây dẫn mang dòng điện có được các đặc tính từ tính.

Vì vậy, nếu một nam châm được đưa đến dây có dòng điện chạy qua, chẳng hạn như ở dạng kim la bàn từ tính, thì kim sẽ quay vuông góc với dây, còn nếu bạn quấn dây trên lõi sắt và truyền trực tiếp dòng điện qua dây dẫn, lõi sẽ trở thành nam châm điện.

Năm 1820, Oersted phát hiện ra tác dụng từ của dòng điện lên kim nam châm và Ampere đã thiết lập các định luật định lượng về tương tác từ của dây dẫn mang dòng điện.

Từ trường luôn được tạo ra bởi dòng điện, nghĩa là các điện tích chuyển động, đặc biệt - các hạt tích điện (electron, ion). Các dòng điện ngược chiều đẩy nhau, các dòng điện một chiều hút nhau.

Một tương tác cơ học như vậy xảy ra do sự tương tác của từ trường của dòng điện, nghĩa là trước hết nó là tương tác từ tính, và chỉ sau đó là tương tác cơ học. Như vậy, tương tác từ của các dòng điện là chủ yếu.

Năm 1831, Faraday phát hiện ra rằng từ trường thay đổi từ một mạch tạo ra dòng điện trong mạch khác: EMF được tạo ra tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của từ thông. Điều hợp lý là hoạt động từ tính của dòng điện vẫn được sử dụng cho đến ngày nay trong tất cả các máy biến áp, không chỉ trong nam châm điện (ví dụ, trong công nghiệp).

Tác dụng sáng của dòng điện

Ở dạng đơn giản nhất, hiệu ứng phát sáng của dòng điện có thể được quan sát thấy trong đèn sợi đốt, cuộn dây được dòng điện chạy qua nó đốt nóng thành nhiệt trắng và phát ra ánh sáng.

Đối với đèn sợi đốt, năng lượng ánh sáng chiếm khoảng 5% điện năng được cung cấp, 95% còn lại được chuyển thành nhiệt.

Đèn huỳnh quang chuyển đổi năng lượng hiện tại thành ánh sáng hiệu quả hơn — có tới 20% điện năng được chuyển thành ánh sáng khả kiến ​​nhờ các chất phốt pho nhận được tia cực tím từ sự phóng điện trong hơi thủy ngân hoặc trong khí trơ như neon.

Hiệu ứng ánh sáng của dòng điện được thực hiện hiệu quả hơn trong đèn LED. Khi một dòng điện đi qua tiếp giáp pn theo hướng thuận, các hạt mang điện—electron và lỗ trống—kết hợp lại với sự phát ra các photon (do sự chuyển đổi của các electron từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác).

Các bộ phát sáng tốt nhất là các chất bán dẫn có khe hở trực tiếp (tức là các chất bán dẫn trong đó cho phép chuyển đổi quang học trực tiếp), chẳng hạn như GaAs, InP, ZnSe hoặc CdTe. Bằng cách thay đổi thành phần của chất bán dẫn, đèn LED có thể được tạo ra cho tất cả các loại bước sóng từ tia cực tím (GaN) đến tia hồng ngoại trung bình (PbS). Hiệu quả của đèn LED làm nguồn sáng đạt trung bình 50%.

Tác dụng cơ học của dòng điện

Như đã lưu ý ở trên, bất kỳ dây dẫn nào mà dòng điện chạy qua đều hình thành xung quanh chính nó từ trường… Các tác động từ tính được chuyển thành chuyển động, ví dụ như trong động cơ điện, trong thiết bị nâng từ tính, trong van từ tính, trong rơle, v.v.

Tác động cơ học của dòng điện này lên dòng điện khác được mô tả bằng định luật Ampe. Định luật này lần đầu tiên được thiết lập bởi Andre Marie Ampere vào năm 1820 cho dòng điện một chiều. Từ Định luật Ampe theo đó các dây dẫn song song có dòng điện chạy theo một hướng thì hút và các dây dẫn ngược chiều thì đẩy nhau.

Định luật Ampe còn gọi là định luật xác định lực mà từ trường tác dụng lên một đoạn nhỏ của dây dẫn có dòng điện. Lực mà từ trường tác dụng lên một phần tử của dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn và tích vectơ phần tử của chiều dài dây dẫn và cảm ứng từ.

Nguyên tắc này dựa trên hoạt động của động cơ điện, trong đó rôto đóng vai trò khung có dòng điện định hướng trong từ trường ngoài của stato bằng mômen xoắn M.