การกระทำของกระแสไฟฟ้า: ความร้อน เคมี แม่เหล็ก แสง และกลไก

กระแสไฟฟ้าในวงจรจะแสดงออกมาผ่านการกระทำบางอย่างเสมอ สิ่งนี้สามารถเป็นได้ทั้งการทำงานที่โหลดบางอย่างและผลที่เกิดขึ้นพร้อมกันของกระแส ดังนั้นจากการกระทำของกระแสจึงสามารถตัดสินได้ว่ามีหรือไม่มีอยู่ในวงจรที่กำหนด: ถ้าโหลดทำงานแสดงว่ามีกระแส หากสังเกตเห็นปรากฏการณ์ทั่วไปที่มาพร้อมกับกระแส แสดงว่ามีกระแสในวงจร ฯลฯ

โดยหลักการแล้ว กระแสไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดการกระทำต่างๆ ได้: ความร้อน เคมี แม่เหล็ก (แม่เหล็กไฟฟ้า) แสงหรือกลไก และการกระทำในปัจจุบันประเภทต่างๆ มักจะเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน ปรากฏการณ์และการกระทำในปัจจุบันเหล่านี้จะกล่าวถึงในบทความนี้

ผลกระทบทางความร้อนของกระแสไฟฟ้า

เมื่อกระแสตรงหรือกระแสสลับไหลผ่านสายไฟ ลวดจะร้อนขึ้น ลวดความร้อนดังกล่าวภายใต้เงื่อนไขและการใช้งานที่แตกต่างกันสามารถเป็น: โลหะ, อิเล็กโทรไลต์, พลาสมา, โลหะหลอมเหลว, สารกึ่งตัวนำ, สารกึ่งโลหะ

ในกรณีที่ง่ายที่สุด เช่น ถ้ากระแสไฟฟ้าผ่านลวดนิโครม จะเกิดความร้อนขึ้น ปรากฏการณ์นี้ใช้ในอุปกรณ์ทำความร้อน: ในกาต้มน้ำไฟฟ้า, ในหม้อไอน้ำ, ในเครื่องทำความร้อน, เตาไฟฟ้า ฯลฯ ในการเชื่อมอาร์กไฟฟ้า อุณหภูมิของการอาร์คไฟฟ้ามักจะสูงถึง 7000°C และโลหะจะหลอมละลายได้ง่าย นี่เป็นผลกระทบจากความร้อนของกระแสไฟฟ้าเช่นกัน

ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในส่วนของวงจรขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับส่วนนี้ ค่าของกระแสที่ไหล และเวลาของการไหลของมัน (กฎของจูล-เลนซ์).

เมื่อคุณแปลงกฎของโอห์มสำหรับส่วนของวงจรแล้ว คุณสามารถใช้แรงดันหรือกระแสไฟฟ้าเพื่อคำนวณปริมาณความร้อน แต่คุณต้องทราบความต้านทานของวงจร เพราะมันจำกัดกระแสและทำให้เกิดความร้อน หรือเมื่อรู้กระแสและแรงดันในวงจร คุณก็สามารถหาปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นได้อย่างง่ายดาย

การกระทำทางเคมีของกระแสไฟฟ้า

อิเล็กโทรไลต์ที่มีไอออนด้วยไฟฟ้ากระแสตรง อิเล็กโทรไลต์ — นี่คือการกระทำทางเคมีของกระแสน้ำ ไอออนลบ (แอนไอออน) จะถูกดึงดูดไปยังขั้วไฟฟ้าบวก (แอโนด) ในระหว่างการอิเล็กโทรลิซิส และไอออนบวก (ไอออนบวก) จะถูกดึงดูดไปยังขั้วลบ (แคโทด) นั่นคือสารที่มีอยู่ในอิเล็กโทรไลต์จะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิสที่อิเล็กโทรดของแหล่งกำเนิดปัจจุบัน

ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรดคู่หนึ่งจุ่มอยู่ในสารละลายของกรด ด่าง หรือเกลือบางชนิด และเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านวงจร ประจุบวกจะถูกสร้างขึ้นที่อิเล็กโทรดหนึ่งและประจุลบที่อีกขั้วหนึ่ง ไอออนที่มีอยู่ในสารละลายจะเริ่มสะสมบนอิเล็กโทรดด้วยประจุย้อนกลับ

ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการอิเล็กโทรไลซิสของคอปเปอร์ซัลเฟต (CuSO4) ไอออนบวกของทองแดง Cu2 + ที่มีประจุบวกจะเคลื่อนที่ไปยังแคโทดที่มีประจุลบ ซึ่งประจุเหล่านั้นจะได้รับประจุที่ขาดหายไป และกลายเป็นอะตอมของทองแดงที่เป็นกลาง ตกตะกอนบนพื้นผิวของอิเล็กโทรด กลุ่มไฮดรอกซิล -OH จะบริจาคอิเล็กตรอนให้กับขั้วบวกและออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมา ไฮโดรเจนไอออนบวกที่มีประจุบวก H + และประจุลบ SO42- จะยังคงอยู่ในสารละลาย

การกระทำทางเคมีของกระแสไฟฟ้าถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรม เช่น เพื่อสลายน้ำออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ (ไฮโดรเจนและออกซิเจน) นอกจากนี้ อิเล็กโทรลิซิสยังช่วยให้คุณได้รับโลหะบางชนิดในรูปแบบที่บริสุทธิ์ ด้วยความช่วยเหลือของอิเล็กโทรลิซิสชั้นบาง ๆ ของโลหะ (นิกเกิลโครเมียม) จะถูกนำไปใช้กับพื้นผิว - แค่นั้นแหละ เคลือบกัลวานิค เป็นต้น

ในปี 1832 ไมเคิล ฟาราเดย์พบว่ามวล m ของสารที่ปล่อยออกมาที่อิเล็กโทรดนั้นแปรผันโดยตรงกับประจุไฟฟ้า q ที่ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์ ถ้ากระแสตรง I ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์เป็นเวลา t กฎข้อที่หนึ่งของอิเล็กโทรไลต์ของฟาราเดย์จะใช้บังคับ:

ที่นี่ปัจจัยสัดส่วน k เรียกว่าสมมูลเคมีไฟฟ้าของสาร มีค่าเท่ากับมวลของสารที่ปล่อยออกมาเมื่อประจุไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรไลต์ และขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของสารนั้น

การกระทำของแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้า

เมื่อมีกระแสไฟฟ้าในตัวนำใด ๆ (ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) จะสังเกตเห็นสนามแม่เหล็กรอบตัวนำ นั่นคือ ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าจะได้รับคุณสมบัติทางแม่เหล็ก

ดังนั้นหากนำแม่เหล็กไปยังเส้นลวดที่มีกระแสไหลผ่าน เช่น ในรูปของเข็มเข็มทิศแม่เหล็ก เข็มก็จะหมุนตั้งฉากกับเส้นลวด และถ้าคุณพันลวดบนแกนเหล็กและผ่านเส้นลวดโดยตรง กระแสไฟฟ้าผ่านแกนกลางจะกลายเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในปี พ.ศ. 2363 เออร์สเตดค้นพบผลกระทบทางแม่เหล็กของกระแสบนเข็มแม่เหล็ก และแอมแปร์ได้กำหนดกฎเชิงปริมาณของปฏิกิริยาแม่เหล็กของสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า

สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นจากกระแสเสมอ นั่นคือประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง — อนุภาคที่มีประจุ (อิเล็กตรอน ไอออน) กระแสตรงข้ามผลักกัน กระแสทิศทางเดียวดึงดูดกัน

การโต้ตอบทางกลดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบของสนามแม่เหล็กของกระแสนั่นคือมันเป็นการโต้ตอบทางแม่เหล็กอย่างแรกและจากนั้น - ทางกล ดังนั้นปฏิกิริยาแม่เหล็กของกระแสจึงเป็นหลัก

ในปี พ.ศ. 2374 ฟาราเดย์พบว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจากวงจรหนึ่งสร้างกระแสในอีกวงจรหนึ่ง EMF ที่สร้างขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก มันเป็นเหตุผลที่มันเป็นการกระทำทางแม่เหล็กของกระแสที่ใช้ในหม้อแปลงทั้งหมดจนถึงทุกวันนี้ไม่ใช่เฉพาะในแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่นในอุตสาหกรรม)

เอฟเฟกต์แสงของกระแสไฟฟ้า

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด เอฟเฟกต์การส่องสว่างของกระแสไฟฟ้าสามารถสังเกตได้ในหลอดไส้ ขดลวดซึ่งถูกทำให้ร้อนโดยกระแสที่ไหลผ่านไปยังความร้อนสีขาวและเปล่งแสงออกมา

สำหรับหลอดไส้ พลังงานแสงคิดเป็นประมาณ 5% ของไฟฟ้าที่ส่งมา ส่วนที่เหลืออีก 95% จะถูกแปลงเป็นความร้อน

หลอดฟลูออเรสเซนต์เปลี่ยนพลังงานปัจจุบันเป็นแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น — ไฟฟ้ามากถึง 20% ถูกแปลงเป็นแสงที่มองเห็นได้ด้วยสารเรืองแสงที่ได้รับ รังสีอัลตราไวโอเลต จากการปล่อยไฟฟ้าในไอปรอทหรือในก๊าซเฉื่อย เช่น นีออน

เอฟเฟกต์แสงของกระแสไฟฟ้าได้รับการรับรู้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นใน LED เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านทางแยก pn ในทิศทางไปข้างหน้า ตัวพาประจุ—อิเล็กตรอนและโฮล—จะรวมตัวกันอีกครั้งพร้อมกับการปล่อยโฟตอน (เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง)

ตัวปล่อยแสงที่ดีที่สุดคือสารกึ่งตัวนำแบบช่องว่างโดยตรง (นั่นคือ สารกึ่งตัวนำที่อนุญาตการเปลี่ยนผ่านด้วยแสงโดยตรง) เช่น GaAs, InP, ZnSe หรือ CdTe ด้วยการเปลี่ยนองค์ประกอบของเซมิคอนดักเตอร์ ทำให้สามารถสร้าง LED สำหรับความยาวคลื่นทุกประเภทตั้งแต่รังสีอัลตราไวโอเลต (GaN) ไปจนถึงอินฟราเรดกลาง (PbS) ประสิทธิภาพของ LED เป็นแหล่งกำเนิดแสงถึงค่าเฉลี่ย 50%

การกระทำทางกลของกระแสไฟฟ้า

ตามที่ระบุไว้ข้างต้น ตัวนำใด ๆ ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านรอบ ๆ ตัวมันเอง สนามแม่เหล็ก… การกระทำของแม่เหล็กจะถูกแปลงเป็นการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น ในมอเตอร์ไฟฟ้า ในอุปกรณ์ยกแม่เหล็ก ในวาล์วแม่เหล็ก ในรีเลย์ เป็นต้น

การกระทำเชิงกลของกระแสหนึ่งต่ออีกกระแสหนึ่งอธิบายไว้ในกฎของแอมแปร์ กฎหมายนี้ตั้งขึ้นครั้งแรกโดย Andre Marie Ampere ในปี 1820 สำหรับไฟฟ้ากระแสตรง จาก กฎของแอมแปร์ มันเป็นไปตามที่สายคู่ขนานที่มีกระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียวดึงดูดและในทิศทางตรงกันข้ามจะผลักกัน

กฎของแอมแปร์เรียกอีกอย่างว่ากฎที่กำหนดแรงที่สนามแม่เหล็กกระทำกับส่วนเล็ก ๆ ของตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า แรงที่สนามแม่เหล็กกระทำต่อองค์ประกอบของเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กนั้นแปรผันโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าในเส้นลวดและผลคูณของเวกเตอร์องค์ประกอบกับความยาวของเส้นลวดและการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

หลักการนี้มีพื้นฐานมาจาก การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าโดยที่โรเตอร์มีบทบาทเป็นเฟรมที่มีกระแสในสนามแม่เหล็กภายนอกของสเตเตอร์โดยแรงบิด M