Effekterna av elektrisk ström: termisk, kemisk, magnetisk, lätt och mekanisk. Verkningar av elektrisk ström: termisk, kemisk, magnetisk, lätt och mekanisk Hur manifesteras den magnetiska effekten av elektrisk ström?

I avsnittet om fysikfrågan. 8: e klass. ett magnetfält. hjälp... frågad av författaren Framställaren det bästa svaret är 1-a Den magnetiska effekten av elektrisk ström är förmågan hos en elektrisk ström som passerar genom ledare av det andra slaget att generera ett magnetfält runt dessa ledningar.
1-b Positivt lockar negativt :)
2-a Pilen börjar avvika från normalläget
2-b Gillar stöter bort, ogillar lockar
3-a I ett magnetfält roterar kompassnålen på ett strikt definierat sätt, alltid parallellt med fältlinjerna. (gimlet eller vänsterhandsregel)
3-b I båda fallen i ändarna
4-Du kan använda en skruvmejsel eller kortslutning (inte det bästa sättet)
4-b Den nordliga magnetiska är belägen på den södra geografiska, och vice versa. Det finns ingen exakt definition - de är föremål för förskjutning
5-a Uppvärmning av ledaren
5-b Absolut inte
6-a Amber med magnet - bröder?
Det visade sig att detta var nära sanningen, och de var "bröder" av blixten. När allt kommer omkring, när bärnsten är elektrifierad, uppstår gnistor och gnistor är små blixtar.
Men blixt är blixt, och vad har en magnet med det att göra? Det var blixten som visade sig vara det som förenade bärnsten och magneten, tidigare "separerade" av Gilbert. Här är tre utdrag ur en beskrivning av ett blixtnedslag som visar det nära sambandet mellan bärnstens elektricitet och attraktionen av en magnet.
”...I juli 1681 träffades fartyget Quick av blixten. När natten kom visade det sig från stjärnornas position att av de tre kompasserna... två, istället för att som tidigare peka mot norr, pekade mot söder, var den tidigare norra änden av den tredje kompassen riktad mot västern."
"...I juni 1731 placerade en köpman från Wexfield i hörnet av sitt rum en stor låda fylld med knivar, gafflar och andra föremål gjorda av järn och stål... Blixten kom in i huset just genom detta hörn där lådan ställde sig, bröt den och skingrade allt som fanns i den. Alla dessa gafflar och knivar... visade sig vara starkt magnetiserade..."
”...Det var ett starkt åskväder i byn Medvedkovo; bönderna såg hur blixten slog ner i en kniv, efter åskvädret började kniven dra till sig järnspik..."
Blixtnedslag, magnetiserande yxor, höggafflar, knivar och andra stålföremål som avmagnetiserar eller återmagnetiserar kompassnålar observerades så ofta att forskare började leta efter ett samband mellan elektriska gnistor och magnetism. Men varken att passera ström genom järnstavarna eller att exponera dem för gnistor från Leyden-burkar gav påtagliga resultat - järnet magnetiserades inte, även om exakta moderna instrument förmodligen skulle ha känt av detta.
Kompassnålen avvek något i experimenten från fysikern Romagnosi från staden Trent, när han förde kompassen närmare en voltaisk kolumn - ett elektriskt batteri. Och då bara när det strömmade genom den voltaiska kolonnen. Men Romagnosi förstod då inte orsaken till detta beteende hos kompassnålen.
Äran att upptäcka sambandet mellan elektricitet och magnetism föll på den danske fysikern Hans Christian Oersted (1777-1851), och även då av en slump. Det hände den 15 februari 1820, så här gick det till. Den här dagen höll Oersted en föreläsning om fysik för studenter vid Köpenhamns universitet. Föreläsningen ägnades åt strömmens termiska effekt, med andra ord uppvärmningen av ledare genom vilka elektrisk ström flyter. Nu används detta fenomen hela tiden - i elektriska spisar, strykjärn, pannor, även i elektriska lampor, vars spiral är vitglödig av ström. Och på Oersteds tid ansågs sådan uppvärmning av en ledare med ström som ett nytt och intressant fenomen.
6-b Installera kärnan

De enklaste elektriska och magnetiska fenomenen har varit kända för människor sedan antiken.

Tydligen redan 600 f.Kr. e. Grekerna visste att en magnet attraherar järn, och gnidad bärnsten attraherar lätta föremål, som sugrör, etc. Skillnaden mellan elektriska och magnetiska attraktioner var dock ännu inte klar; båda betraktades som fenomen av samma natur.

En tydlig skillnad mellan dessa fenomen är förtjänsten av den engelske läkaren och naturforskaren William Gilbert (1544-1603), som 1600 publicerade en bok med titeln "Om magneten, magnetiska kroppar och den stora magneten - jorden." Med den här boken börjar faktiskt en verkligt vetenskaplig studie av elektriska och magnetiska fenomen. Gilbert beskrev i sin bok alla egenskaper hos magneter som var kända under hans tid, och presenterade också resultaten av sina egna mycket viktiga experiment. Han påpekade ett antal betydande skillnader mellan elektriska och magnetiska attraktioner och myntade ordet "elektricitet."

Även om skillnaden mellan elektriska och magnetiska fenomen redan efter Gilbert var odiskutabelt tydlig för alla, tydde ändå ett antal fakta på att dessa fenomen, trots alla deras skillnader, på något sätt är nära och oupplösligt förbundna med varandra. De mest slående fakta var magnetiseringen av järnföremål och ommagnetiseringen av magnetiska nålar under påverkan av blixten. I sitt arbete "Thunder and Lightning" beskriver den franske fysikern Dominique François Arago (1786-1853) till exempel ett sådant fall. "I juli 1681 träffades fartyget "Queen", beläget hundra mil från kusten, på öppet hav, av blixten, vilket orsakade betydande skador på master, segel etc. När natten föll, blev det klart från stjärnornas position som från de tre kompasserna som fanns på skeppet började två, istället för att peka norrut, peka mot söder, och den tredje började peka mot väster." Arago beskriver också ett fall då blixten slog ner i ett hus och kraftigt magnetiserade stålknivar, gafflar och andra föremål i det.

Redan i början av 1700-talet konstaterades att blixten i själva verket är en stark elektrisk ström som går genom luften; Därför kan fakta som de som beskrivs ovan antyda tanken att vilken elektrisk ström som helst har någon form av magnetiska egenskaper. Men dessa egenskaper hos ström upptäcktes experimentellt och studerades först 1820 av den danske fysikern Hans Christian Oersted (1777-1851).

Oersteds huvudexperiment är avbildat i fig. 199. Ovanför den fasta tråden 1, belägen längs meridianen, d.v.s. i nord-sydlig riktning, är en magnetisk nål 2 upphängd på en tunn tråd (fig. 199,a). Pilen, som du vet, är också installerad ungefär längs den nord-sydliga linjen, och därför är den placerad ungefär parallellt med tråden. Men så snart vi stänger nyckeln och skickar ström genom tråd 1 kommer vi att se att magnetnålen roterar och försöker etablera sig i rät vinkel mot den, det vill säga i ett plan vinkelrätt mot tråden (bild 199, b). Detta grundläggande experiment visar att i utrymmet som omger en strömförande ledare verkar krafter som orsakar rörelsen av en magnetisk nål, det vill säga krafter som liknar dem som verkar nära naturliga och konstgjorda magneter. Vi kommer att kalla sådana krafter magnetiska krafter, precis som vi kallar de krafter som verkar på elektriska laddningar elektriska.

Ris. 199. Oersteds experiment med en magnetisk nål, som avslöjar förekomsten av ett magnetiskt fält av ström: 1 – tråd, 2 – magnetisk nål upphängd parallellt med tråden, 3 – batteri av galvaniska celler, 4 – reostat, 5 – nyckel

I 2 kap. II introducerade vi begreppet elektriskt fält för att beteckna det speciella tillstånd i rymden som manifesterar sig i de elektriska krafternas verkan. På samma sätt kommer vi att kalla ett magnetfält för det tillstånd i rymden som gör sig känt genom inverkan av magnetiska krafter. Sålunda bevisar Oersteds experiment att i utrymmet som omger en elektrisk ström uppstår magnetiska krafter, det vill säga ett magnetfält skapas.

Den första frågan som Oersted ställde sig själv efter att han gjorde sin anmärkningsvärda upptäckt var denna: påverkar trådens substans magnetfältet som skapas av strömmen? ”Anslutningstråden”, skriver Oersted, ”kan bestå av flera ledningar eller metallremsor. Metallens natur förändrar inte resultatet, förutom kanske i förhållande till storleken.

Med samma resultat använde vi trådar av platina, guld, silver, mässing och järn, samt tenn och bly polys och kvicksilver.

Oersted utförde alla sina experiment med metaller, det vill säga med ledare där konduktiviteten, som vi nu vet, är av elektronisk natur. Det är dock inte svårt att genomföra Oersteds experiment genom att ersätta metalltråden med ett rör som innehåller en elektrolyt eller ett rör i vilket en urladdning sker i en gas. Vi har redan beskrivit sådana experiment i § 40 (fig. 73) och såg att även om den elektriska strömmen i dessa fall beror på rörelsen av positiva och negativa joner, är dess effekt på magnetnålen densamma som i fallet med ström. i en metallledare. Oavsett vilken typ av ledare genom vilken strömmen flyter, skapas alltid ett magnetiskt fält runt ledaren, under vilken inverkan pilen roterar och tenderar att bli vinkelrät mot strömriktningen.

Således kan vi säga: ett magnetfält uppstår runt vilken ström som helst. Vi har redan nämnt denna viktigaste egenskap hos elektrisk ström (§ 40), när vi talade mer i detalj om dess andra effekter - termiska och kemiska.

Av de tre egenskaperna eller manifestationerna av elektrisk ström är den mest karakteristiska skapandet av ett magnetfält. De kemiska effekterna av ström i vissa ledare - elektrolyter - äger rum, i andra - metaller - de är frånvarande. Värmen som genereras av strömmen kan vara större eller mindre vid samma ström, beroende på ledarens resistans. I supraledare är det till och med möjligt för ström att passera utan att alstra värme (§ 49). Men magnetfältet är en oskiljaktig följeslagare till alla elektriska strömmar. Det beror inte på några speciella egenskaper hos en viss ledare och bestäms endast av strömstyrkan och riktningen. De flesta tekniska tillämpningar av elektricitet involverar också närvaron av ett magnetiskt strömfält.

Elektrisk ström i en krets visar sig alltid på något sätt. Detta kan antingen vara arbete under en viss belastning eller åtföljande effekt av ström. Således, genom effekten av ström kan man bedöma dess närvaro eller frånvaro i en given krets: om belastningen fungerar, finns det ström. Om ett typiskt fenomen medföljande ström observeras, finns det ström i kretsen etc.

Generellt sett kan elektrisk ström orsaka olika effekter: termiska, kemiska, magnetiska (elektromagnetiska), lätta eller mekaniska, och olika typer av strömeffekter inträffar ofta samtidigt. Dessa fenomen och effekter av ström kommer att diskuteras i den här artikeln.

Termisk effekt av elektrisk ström

När likström eller växelström passerar genom en ledare värms ledaren upp. Sådana värmeledare i olika förhållanden och applikationer kan vara: metaller, elektrolyter, plasma, smälta metaller, halvledare, halvmetaller.

I det enklaste fallet, om till exempel en elektrisk ström passerar genom en nikromtråd, kommer den att värmas upp. Detta fenomen används i uppvärmningsanordningar: i vattenkokare, pannor, värmare, elektriska spisar etc. Vid elektrisk bågsvetsning når temperaturen på den elektriska ljusbågen i allmänhet 7000 ° C, och metallen smälter lätt - detta är också den termiska effekten av strömmen.

Mängden värme som frigörs i en sektion av kretsen beror på spänningen som appliceras på denna sektion, värdet på den strömmande strömmen och tiden den flyter ().

Efter att ha transformerat Ohms lag för en sektion av en krets kan du använda antingen spänning eller ström för att beräkna mängden värme, men då måste du också känna till kretsens resistans, eftersom det är det som begränsar strömmen och faktiskt orsakar uppvärmning. Eller, genom att känna till strömmen och spänningen i kretsen, kan du lika enkelt hitta mängden värme som genereras.

Kemisk verkan av elektrisk ström

Elektrolyter som innehåller joner under påverkan av likström - detta är den kemiska effekten av ström. Under elektrolys attraheras negativa joner (anjoner) till den positiva elektroden (anod), och positiva joner (katjoner) attraheras till den negativa elektroden (katoden). Det vill säga att ämnena som finns i elektrolyten frigörs vid strömkällans elektroder under elektrolysprocessen.

Till exempel är ett par elektroder nedsänkt i en lösning av en viss syra, alkali eller salt, och när en elektrisk ström passerar genom kretsen skapas en positiv laddning på en elektrod och en negativ laddning på den andra. Jonerna som finns i lösningen börjar avsättas på elektroden med motsatt laddning.

Till exempel, under elektrolysen av kopparsulfat (CuSO4), flyttar kopparkatjoner Cu2+ med en positiv laddning till den negativt laddade katoden, där de tar emot den saknade laddningen och blir neutrala kopparatomer, som sätter sig på elektrodens yta. Hydroxylgruppen -OH kommer att ge upp elektroner vid anoden, vilket resulterar i frigöring av syre. Positivt laddade vätekatjoner H+ och negativt laddade anjoner SO42- kommer att förbli i lösning.

Den kemiska verkan av elektrisk ström används inom industrin, till exempel för att bryta ner vatten i dess beståndsdelar (väte och syre). Elektrolys gör det också möjligt att få fram vissa metaller i sin rena form. Med hjälp av elektrolys beläggs ytor med ett tunt lager av en viss metall (nickel, krom) etc.

1832 slog Michael Faraday fast att massan m av ett ämne som frigörs vid elektroden är direkt proportionell mot den elektriska laddningen q som passerar genom elektrolyten. Om en likström I passerar genom elektrolyten under en tid t, är Faradays första lag för elektrolys giltig:

Här kallas proportionalitetskoefficienten k för ämnets elektrokemiska ekvivalent. Det är numeriskt lika med massan av ämnet som frigörs när en enda elektrisk laddning passerar genom elektrolyten, och beror på ämnets kemiska natur.

I närvaro av en elektrisk ström i någon ledare (fast, flytande eller gasformig) observeras ett magnetfält runt ledaren, det vill säga att ledaren som bär strömmen får magnetiska egenskaper.

Så om du för en magnet till en ledare genom vilken ström flyter, till exempel i form av en magnetisk kompassnål, kommer nålen att vända sig vinkelrätt mot ledaren, och om du lindar ledaren runt en järnkärna och passerar en likström genom ledaren kommer kärnan att bli en elektromagnet.

År 1820 upptäckte Oersted den magnetiska effekten av ström på en magnetisk nål, och Ampere etablerade de kvantitativa lagarna för den magnetiska interaktionen mellan ledare och ström.

Ett magnetfält genereras alltid av ström, det vill säga genom att elektriska laddningar förflyttas, i synnerhet av laddade partiklar (elektroner, joner). Motriktade strömmar stöter bort varandra, enkelriktade strömmar attraherar varandra.

Sådan mekanisk interaktion uppstår på grund av interaktionen av magnetiska fält av strömmar, det vill säga det är först och främst magnetisk interaktion, och först då mekanisk. Således är den magnetiska interaktionen av strömmar primär.

År 1831 fastställde Faraday att ett förändrat magnetfält från en krets genererar en ström i en annan krets: den genererade emk är proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet. Det är logiskt att det är den magnetiska verkan av strömmar som används till denna dag i alla transformatorer, och inte bara i elektromagneter (till exempel i industriella sådana).

I sin enklaste form kan den lysande effekten av elektrisk ström observeras i en glödlampa, vars spiral värms upp av strömmen som passerar genom den till vit värme och avger ljus.

För en glödlampa står ljusenergin för cirka 5 % av den tillförda elen, varav resterande 95 % omvandlas till värme.

Lysrör omvandlar mer effektivt nuvarande energi till ljus - upp till 20% av elektriciteten omvandlas till synligt ljus tack vare fosforn, som tar emot från en elektrisk urladdning i kvicksilverånga eller i en inert gas som neon.

Den lysande effekten av elektrisk ström realiseras mer effektivt i lysdioder. När elektrisk ström passerar genom en pn-övergång i framåtriktningen, rekombineras laddningsbärare - elektroner och hål - med emission av fotoner (på grund av övergången av elektroner från en energinivå till en annan).

De bästa ljussändare är halvledare med direktgap (det vill säga de som tillåter direkta optiska bandbandsövergångar), såsom GaAs, InP, ZnSe eller CdTe. Genom att variera sammansättningen av halvledare är det möjligt att skapa lysdioder för olika våglängder från ultraviolett (GaN) till mellaninfrarött (PbS). Effektiviteten hos en LED som ljuskälla når i genomsnitt 50 %.

Som noterats ovan bildar varje ledare genom vilken elektrisk ström flyter en cirkel runt sig själv. Magnetiska handlingar omvandlas till rörelse, till exempel i elmotorer, magnetiska lyftanordningar, magnetventiler, reläer, etc.

Den mekaniska verkan av en ström på en annan beskrivs av Amperes lag. Denna lag upprättades först av André Marie Ampère 1820 för likström. Det följer att parallella ledare med elektriska strömmar som flyter i en riktning attraherar och i motsatta riktningar stöter de bort.

Amperes lag är också den lag som bestämmer med vilken kraft ett magnetfält verkar på ett litet segment av en ledare som bär ström. Kraften med vilken magnetfältet verkar på ett element i en strömförande ledare belägen i ett magnetfält är direkt proportionell mot strömmen i ledaren och vektorprodukten av elementet av ledarens längd och den magnetiska induktionen.

Den är baserad på denna princip, där rotorn spelar rollen som en ram med ström, orienterad i statorns yttre magnetfält med ett vridmoment M.

Närvaron av ström i en elektrisk krets manifesteras alltid av någon handling. Till exempel arbeta under en specifik belastning eller något relaterat fenomen. Följaktligen är det verkan av elektrisk ström som indikerar dess närvaro som sådan i en viss elektrisk krets. Det vill säga, om belastningen fungerar, sker strömmen.

Det är känt att elektrisk ström orsakar olika typer av effekter. Dessa inkluderar till exempel termisk, kemisk, magnetisk, mekanisk eller ljus. I det här fallet kan olika effekter av elektrisk ström manifestera sig samtidigt. Vi kommer att berätta mer i detalj om alla manifestationer i detta material.

Termiskt fenomen

Det är känt att temperaturen på en ledare ökar när ström passerar genom den. Sådana ledare är olika metaller eller deras smältor, halvmetaller eller halvledare, såväl som elektrolyter och plasma. Till exempel, när en elektrisk ström passerar genom en nikromtråd blir den väldigt varm. Detta fenomen används i uppvärmningsanordningar, nämligen: i vattenkokare, pannor, värmare etc. Elbågsvetsning har den högsta temperaturen, nämligen uppvärmningen av ljusbågen kan nå upp till 7 000 grader Celsius. Vid denna temperatur uppnås lätt smältning av metallen.

Mängden värme som genereras beror direkt på vilken spänning som applicerades på en given sektion, såväl som på den elektriska strömmen och tiden den passerar genom kretsen.

För att beräkna mängden värme som genereras används antingen spänning eller ström. I det här fallet är det nödvändigt att känna till motståndsindikatorn i den elektriska kretsen, eftersom det är detta som provocerar uppvärmning på grund av strömbegränsning. Dessutom kan mängden värme bestämmas med hjälp av ström och spänning.

kemiskt fenomen

Den kemiska effekten av elektrisk ström är elektrolysen av joner i elektrolyten. Under elektrolys fäster anoden anjoner till sig själv och katoden - katjoner.

Med andra ord, under elektrolys frigörs vissa ämnen på strömkällans elektroder.

Låt oss ge ett exempel: två elektroder sänks ner i en sur, alkalisk eller saltlösning. Sedan passerar en ström genom den elektriska kretsen, vilket provocerar skapandet av en positiv laddning på en av elektroderna och en negativ laddning på den andra. Jonerna som är i lösning avsätts på elektroden med en annan laddning.

Den kemiska verkan av elektrisk ström används inom industrin. Med hjälp av detta fenomen sönderdelas alltså vatten till syre och väte. Dessutom, med hjälp av elektrolys, erhålls metaller i sin rena form, och ytor är också elektropläterade.

Magnetiskt fenomen

En elektrisk ström i en ledare av vilket som helst aggregationstillstånd skapar ett magnetfält. Med andra ord är en ledare med elektrisk ström utrustad med magnetiska egenskaper.

Således, om du för en magnetisk kompassnål närmare en ledare i vilken en elektrisk ström flyter, kommer den att börja rotera och ta en vinkelrät position mot ledaren. Om du lindar denna ledare runt en järnkärna och leder en likström genom den, kommer denna kärna att anta egenskaperna hos en elektromagnet.

Naturen hos ett magnetiskt fält är alltid närvaron av en elektrisk ström. Låt oss förklara: rörliga laddningar (laddade partiklar) bildar ett magnetfält. I det här fallet stöter strömmar i motsatta riktningar bort, och strömmar i samma riktning attraherar. Denna växelverkan motiveras av den magnetiska och mekaniska växelverkan mellan magnetiska fält av elektriska strömmar. Det visar sig att den magnetiska interaktionen av strömmar är avgörande.

Magnetisk verkan används i transformatorer och elektromagneter.

Ljusfenomen

Det enklaste exemplet på ljusverkan är en glödlampa. I denna ljuskälla når spiralen det önskade temperaturvärdet genom strömmen som passerar genom den till ett tillstånd av vit värme. Det är så ljus sänds ut. I en traditionell glödlampa går bara fem procent av all elektricitet till ljus, medan den återstående lejonparten omvandlas till värme.

Mer moderna analoger, till exempel lysrör, omvandlar mest effektivt elektricitet till ljus. Det vill säga, ungefär tjugo procent av all energi ligger på ljusets grund. Fosforen tar emot UV-strålning som kommer från en urladdning som sker i kvicksilverånga eller inerta gaser.

Den mest effektiva implementeringen av den lätta verkan av ström sker i. En elektrisk ström som passerar genom en pn-övergång provocerar rekombinationen av laddningsbärare med emission av fotoner. De bästa LED-ljussändare är halvledare med direktgap. Genom att ändra sammansättningen av dessa halvledare är det möjligt att skapa lysdioder för olika ljusvågor (olika längder och intervall). Lysdiodens effektivitet når 50 procent.

Mekaniskt fenomen

Kom ihåg att ett magnetfält uppstår runt en ledare som bär elektrisk ström. Alla magnetiska handlingar omvandlas till rörelse. Exempel är elmotorer, magnetiska lyftenheter, reläer etc.

År 1820 härledde Andre Marie Ampère den välkända "Amperes lag", som beskriver den mekaniska effekten av en elektrisk ström på en annan.

Denna lag säger att parallella ledare som bär elektrisk ström i samma riktning upplever attraktion till varandra, och de i motsatt riktning, tvärtom, upplever repulsion.

Dessutom bestämmer amperens lag storleken på den kraft med vilken ett magnetfält verkar på ett litet segment av en ledare som bär en elektrisk ström. Det är denna kraft som ligger till grund för en elektrisk motors funktion.