Azioni della corrente elettrica: termica, chimica, magnetica, luminosa e meccanica

La corrente elettrica in un circuito si manifesta sempre attraverso una sorta di sua azione. Questo può essere sia il funzionamento a un certo carico sia l'effetto concomitante della corrente. Pertanto, dall'azione della corrente, si può giudicare la sua presenza o assenza in un dato circuito: se il carico funziona, c'è corrente. Se si osserva un fenomeno tipico che accompagna la corrente, c'è una corrente nel circuito, ecc.

In linea di principio, la corrente elettrica è in grado di provocare diverse azioni: termica, chimica, magnetica (elettromagnetica), luminosa o meccanica, e spesso diversi tipi di azioni di corrente si verificano contemporaneamente. Questi fenomeni e azioni attuali saranno discussi in questo articolo.

Effetto termico della corrente elettrica

Quando la corrente continua o alternata scorre attraverso un filo, il filo si riscalda. Tali fili di riscaldamento in diverse condizioni e applicazioni possono essere: metalli, elettroliti, plasma, metalli fusi, semiconduttori, semimetalli.

Nel caso più semplice, se, per esempio, una corrente elettrica passa attraverso un filo di nicromo, questo si surriscalda. Questo fenomeno viene utilizzato nei dispositivi di riscaldamento: nei bollitori elettrici, nelle caldaie, nei riscaldatori, nelle stufe elettriche, ecc. Nella saldatura ad arco elettrico, la temperatura dell'arco elettrico raggiunge solitamente i 7000 ° C e il metallo si scioglie facilmente, anche questo è un effetto termico della corrente.

La quantità di calore rilasciata nella sezione del circuito dipende dalla tensione applicata a questa sezione, dal valore della corrente che scorre e dal tempo del suo flusso (La legge di Joule-Lenz).

Dopo aver convertito la legge di Ohm per una sezione del circuito, puoi usare la tensione o la corrente per calcolare la quantità di calore, ma poi devi conoscere la resistenza del circuito perché limita la corrente e provoca effettivamente il riscaldamento. Oppure, conoscendo la corrente e la tensione in un circuito, puoi trovare altrettanto facilmente la quantità di calore generata.

Azione chimica della corrente elettrica

Elettroliti contenenti ioni per corrente elettrica continua elettrolizzato - questa è l'azione chimica della corrente. Gli ioni negativi (anioni) sono attratti dall'elettrodo positivo (anodo) durante l'elettrolisi e gli ioni positivi (cationi) sono attratti dall'elettrodo negativo (catodo). Cioè, le sostanze contenute nell'elettrolita vengono rilasciate durante l'elettrolisi agli elettrodi della sorgente di corrente.

Ad esempio, una coppia di elettrodi viene immersa in una soluzione di un certo acido, alcali o sale, e quando una corrente elettrica passa attraverso il circuito, si crea una carica positiva su un elettrodo e una carica negativa sull'altro. Gli ioni contenuti nella soluzione iniziano a depositarsi sull'elettrodo con una carica inversa.

Ad esempio, durante l'elettrolisi del solfato di rame (CuSO4), i cationi di rame Cu2 + con carica positiva si spostano verso il catodo caricato negativamente, dove ricevono la carica mancante, e si trasformano in atomi di rame neutri, depositandosi sulla superficie dell'elettrodo. Il gruppo idrossile -OH donerà elettroni all'anodo e di conseguenza verrà rilasciato ossigeno. I cationi idrogeno caricati positivamente H+ e gli anioni SO42- caricati negativamente rimarranno in soluzione.

L'azione chimica di una corrente elettrica viene utilizzata nell'industria, ad esempio, per scomporre l'acqua nelle sue parti componenti (idrogeno e ossigeno). Inoltre, l'elettrolisi ti consente di ottenere alcuni metalli nella loro forma pura. Con l'aiuto dell'elettrolisi, sulla superficie viene applicato uno strato sottile di un certo metallo (nichel, cromo) - tutto qui rivestimento galvanico eccetera.

Nel 1832 Michael Faraday stabilì che la massa m della sostanza rilasciata all'elettrodo è direttamente proporzionale alla carica elettrica q che passava attraverso l'elettrolita. Se una corrente continua I scorre attraverso l'elettrolita per il tempo t, allora si applica la prima legge dell'elettrolisi di Faraday:

Qui il fattore di proporzionalità k è chiamato l'equivalente elettrochimico della sostanza. È numericamente uguale alla massa di una sostanza rilasciata quando una carica elettrica attraversa l'elettrolita e dipende dalla natura chimica della sostanza.

Azione magnetica della corrente elettrica

In presenza di corrente elettrica in qualsiasi conduttore (allo stato solido, liquido o gassoso), si osserva un campo magnetico attorno al conduttore, ovvero il conduttore percorso da corrente acquisisce proprietà magnetiche.

Quindi, se un magnete viene portato al filo attraverso il quale scorre la corrente, ad esempio sotto forma di un ago della bussola magnetica, allora l'ago girerà perpendicolarmente al filo, e se avvolgi il filo su un nucleo di ferro e fai passare un diretto corrente attraverso il filo, il nucleo diventerà un elettromagnete.

Nel 1820 Oersted scoprì l'effetto magnetico della corrente su un ago magnetico e Ampere stabilì le leggi quantitative dell'interazione magnetica dei fili percorsi da corrente.

Il campo magnetico è sempre generato dalla corrente, cioè da cariche elettriche in movimento, in particolare da particelle cariche (elettroni, ioni). Le correnti opposte si respingono, le correnti unidirezionali si attraggono.

Tale interazione meccanica si verifica a causa dell'interazione dei campi magnetici delle correnti, cioè è prima di tutto un'interazione magnetica e solo allora meccanica. Pertanto, l'interazione magnetica delle correnti è primaria.

Nel 1831, Faraday scoprì che un campo magnetico variabile da un circuito genera una corrente in un altro circuito: l'EMF generato è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico. È logico che sia l'azione magnetica delle correnti che viene utilizzata fino ad oggi in tutti i trasformatori, non solo negli elettromagneti (ad esempio in quelli industriali).

Effetto luce della corrente elettrica

Nella sua forma più semplice, l'effetto luminoso di una corrente elettrica può essere osservato in una lampada a incandescenza, la cui bobina viene riscaldata dalla corrente che la attraversa fino a diventare calore bianco ed emette luce.

Per una lampada ad incandescenza, l'energia luminosa rappresenta circa il 5% dell'energia elettrica erogata, il restante 95% della quale viene convertito in calore.

Le lampade fluorescenti convertono in modo più efficiente l'energia attuale in luce: fino al 20% dell'elettricità viene convertita in luce visibile grazie ai fosfori che ricevono radiazioni ultraviolette da una scarica elettrica in vapori di mercurio o in un gas inerte come il neon.

L'effetto luminoso della corrente elettrica è realizzato in modo più efficace nei LED. Quando una corrente elettrica passa attraverso la giunzione pn nella direzione in avanti, i portatori di carica - elettroni e lacune - si ricombinano con l'emissione di fotoni (a causa della transizione degli elettroni da un livello energetico a un altro).

I migliori emettitori di luce sono i semiconduttori a gap diretto (ovvero quelli in cui sono consentite transizioni ottiche dirette), come GaAs, InP, ZnSe o CdTe. Modificando la composizione dei semiconduttori, è possibile realizzare LED per tutti i tipi di lunghezze d'onda, dall'ultravioletto (GaN) al medio infrarosso (PbS). L'efficienza del LED come sorgente luminosa raggiunge mediamente il 50%.

Azione meccanica della corrente elettrica

Come notato sopra, qualsiasi conduttore attraverso il quale scorre una corrente elettrica si forma attorno a se stesso campo magnetico… Le azioni magnetiche vengono convertite in movimento, ad esempio nei motori elettrici, nei dispositivi di sollevamento magnetici, nelle valvole magnetiche, nei relè, ecc.

L'azione meccanica di una corrente su un'altra è descritta dalla legge di Ampere. Questa legge fu stabilita per la prima volta da Andre Marie Ampere nel 1820 per la corrente continua. Da Legge di Ampere ne consegue che i fili paralleli con correnti elettriche che scorrono in una direzione si attraggono e quelli in direzioni opposte si respingono.

La legge di Ampere è anche chiamata la legge che determina la forza con cui un campo magnetico agisce su un piccolo segmento di un conduttore percorso da corrente. La forza con cui un campo magnetico agisce su un elemento di un filo percorso da corrente in un campo magnetico è direttamente proporzionale alla corrente nel filo e al prodotto vettoriale dell'elemento della lunghezza del filo e dell'induzione magnetica.

Questo principio si basa su funzionamento dei motori elettrici, dove il rotore svolge il ruolo di telaio con una corrente orientata nel campo magnetico esterno dello statore dalla coppia M.