Působení elektrického proudu: tepelné, chemické, magnetické, světelné a mechanické

Elektrický proud v obvodu se vždy projevuje nějakým druhem jeho působení. Může se jednat jak o provoz při určité zátěži, tak o doprovodný účinek proudu. Působením proudu lze tedy posoudit jeho přítomnost nebo nepřítomnost v daném obvodu: pokud zátěž funguje, existuje proud. Pokud je pozorován typický jev doprovázející proud, v obvodu je proud atd.

Elektrický proud je v zásadě schopen vyvolat různé akce: tepelné, chemické, magnetické (elektromagnetické), světelné nebo mechanické a různé typy proudových akcí často probíhají současně. Tyto současné jevy a akce budou diskutovány v tomto článku.

Tepelný účinek elektrického proudu

Když drátem protéká stejnosměrný nebo střídavý proud, drát se zahřívá. Takovými topnými dráty za různých podmínek a aplikací mohou být: kovy, elektrolyty, plazma, roztavené kovy, polovodiče, polokovy.

V nejjednodušším případě, pokud, řekněme, elektrický proud prochází nichromovým drátem, zahřeje se. Tento jev se využívá v topných zařízeních: v rychlovarných konvicích, v kotlích, v topidlech, elektrických sporákech atd. Při svařování elektrickým obloukem teplota elektrického oblouku obvykle dosahuje 7000 ° C a kov se snadno taví, to je také tepelný účinek proudu.

Množství tepla uvolněného v sekci obvodu závisí na napětí přivedeném na tuto sekci, hodnotě protékajícího proudu a době jeho toku (Joule-Lenzův zákon).

Jakmile převedete Ohmův zákon pro část obvodu, můžete k výpočtu množství tepla použít buď napětí, nebo proud, ale pak musíte znát odpor obvodu, protože omezuje proud a ve skutečnosti způsobuje zahřívání. Nebo, když znáte proud a napětí v obvodu, můžete stejně snadno zjistit množství generovaného tepla.

Chemické působení elektrického proudu

Elektrolyty obsahující ionty stejnosměrným elektrickým proudem elektrolyzovány — to je chemické působení proudu. Negativní ionty (anionty) jsou přitahovány ke kladné elektrodě (anodě) během elektrolýzy a kladné ionty (kationty) jsou přitahovány k záporné elektrodě (katodě). To znamená, že látky obsažené v elektrolytu se uvolňují při elektrolýze na elektrodách zdroje proudu.

Dvojice elektrod je například ponořena do roztoku určité kyseliny, zásady nebo soli a při průchodu elektrického proudu obvodem se na jedné elektrodě vytvoří kladný náboj a na druhé záporný náboj. Ionty obsažené v roztoku se začnou ukládat na elektrodě s obráceným nábojem.

Například při elektrolýze síranu měďnatého (CuSO4) se kationty mědi Cu2 + s kladným nábojem přesunou na záporně nabitou katodu, kde dostanou chybějící náboj, a přemění se na neutrální atomy mědi, které se usadí na povrchu elektrody. Hydroxylová skupina -OH daruje elektrony anodě a v důsledku toho se uvolní kyslík. Kladně nabité vodíkové kationty H + a záporně nabité anionty SO42- zůstanou v roztoku.

Chemické působení elektrického proudu se v průmyslu využívá např. k rozkladu vody na její složky (vodík a kyslík). Elektrolýza vám také umožňuje získat některé kovy v čisté formě. Pomocí elektrolýzy se na povrch nanese tenká vrstva určitého kovu (nikl, chrom) — to je vše galvanickým povlakem atd.

V roce 1832 Michael Faraday zjistil, že hmotnost m látky uvolněné na elektrodě je přímo úměrná elektrickému náboji q, který prošel elektrolytem. Protéká-li elektrolytem po dobu t stejnosměrný proud I, platí první Faradayův zákon elektrolýzy:

Zde se faktor úměrnosti k nazývá elektrochemický ekvivalent látky. Číselně se rovná hmotnosti látky uvolněné při průchodu elektrického náboje elektrolytem a závisí na chemické povaze látky.

Magnetické působení elektrického proudu

V přítomnosti elektrického proudu v jakémkoli vodiči (v pevném, kapalném nebo plynném stavu) je kolem vodiče pozorováno magnetické pole, to znamená, že vodič s proudem získává magnetické vlastnosti.

Pokud se tedy k drátu, kterým protéká proud, přivede magnet např. ve formě magnetické střelky kompasu, střelka se otočí kolmo k drátu, a pokud drát namotáte na železné jádro a protáhnete přímým proudu drátem, jádro se stane elektromagnetem.

V roce 1820 objevil Oersted magnetický účinek proudu na magnetickou jehlu a Ampere stanovil kvantitativní zákony magnetické interakce vodičů s proudem.

Magnetické pole je vždy generováno proudem, tedy pohybujícími se elektrickými náboji, zejména — nabitými částicemi (elektrony, ionty). Opačné proudy se odpuzují, jednosměrné proudy se přitahují.

K takové mechanické interakci dochází v důsledku interakce magnetických polí proudů, to znamená, že je to především magnetická interakce a teprve poté mechanická. Primární je tedy magnetická interakce proudů.

V roce 1831 Faraday zjistil, že měnící se magnetické pole z jednoho obvodu generuje proud v jiném obvodu: generované EMF je úměrné rychlosti změny magnetického toku. Je logické, že právě magnetického působení proudů se dodnes využívá ve všech transformátorech, nejen v elektromagnetech (například v průmyslových).

Světelný efekt elektrického proudu

V nejjednodušší podobě lze světelný efekt elektrického proudu pozorovat v žárovce, jejíž cívka se zahřívá procházejícím proudem na bílé teplo a vyzařuje světlo.

U žárovky představuje světelná energie asi 5 % dodané elektřiny, zbývajících 95 % se přemění na teplo.

Zářivky efektivněji přeměňují současnou energii na světlo — až 20 % elektřiny se přemění na viditelné světlo díky fosforům, které přijímají ultrafialová radiace z elektrického výboje ve rtuťových parách nebo v inertním plynu, jako je neon.

Světelný efekt elektrického proudu je efektivněji realizován v LED. Když elektrický proud prochází pn přechodem v propustném směru, nosiče náboje – elektrony a díry – se rekombinují s emisí fotonů (v důsledku přechodu elektronů z jedné energetické hladiny na druhou).

Nejlepší světelné zářiče jsou polovodiče s přímou mezerou (tedy takové, ve kterých jsou povoleny přímé optické přechody), jako je GaAs, InP, ZnSe nebo CdTe. Změnou složení polovodičů lze vyrobit LED diody pro všechny druhy vlnových délek od ultrafialové (GaN) po střední infračervenou (PbS). Účinnost LED jako světelného zdroje dosahuje v průměru 50 %.

Mechanické působení elektrického proudu

Jak bylo uvedeno výše, každý vodič, kterým protéká elektrický proud, se tvoří kolem sebe magnetické pole… Magnetické akce se mění v pohyb, například v elektromotorech, v magnetických zvedacích zařízeních, v magnetických ventilech, v relé atd.

Mechanické působení jednoho proudu na druhý popisuje Ampérův zákon. Tento zákon byl poprvé zaveden Andre Marie Ampere v roce 1820 pro stejnosměrný proud. Z Ampérův zákon z toho vyplývá, že paralelní dráty s elektrickými proudy tekoucími v jednom směru se přitahují a ty v opačných se odpuzují.

Ampérův zákon se také nazývá zákon, který určuje sílu, kterou magnetické pole působí na malý segment vodiče s proudem. Síla, kterou magnetické pole působí na prvek drátu s proudem v magnetickém poli, je přímo úměrná proudu v drátu a součinu vektoru prvku délky drátu a magnetické indukce.

Tento princip je založen na provoz elektromotorů, kde rotor plní roli rámu s proudem orientovaným ve vnějším magnetickém poli statoru momentem M.