Tindakan arus listrik: termal, kimia, magnetik, cahaya dan mekanik

Arus listrik dalam suatu rangkaian selalu memanifestasikan dirinya melalui beberapa jenis aksinya. Ini bisa berupa operasi pada beban tertentu dan efek arus yang bersamaan. Jadi, dengan aksi arus, ada atau tidaknya arus dalam rangkaian tertentu dapat dinilai: jika beban bekerja, ada arus. Jika diamati fenomena khas yang menyertai arus, ada arus di sirkuit, dll.

Pada prinsipnya, arus listrik dapat menyebabkan tindakan yang berbeda: termal, kimiawi, magnetik (elektromagnetik), ringan atau mekanis, dan berbagai jenis tindakan arus sering terjadi secara bersamaan. Fenomena dan tindakan saat ini akan dibahas dalam artikel ini.

Efek termal arus listrik

Ketika arus searah atau bolak-balik mengalir melalui kawat, kawat itu memanas. Kabel pemanas semacam itu dalam kondisi dan aplikasi yang berbeda dapat berupa: logam, elektrolit, plasma, logam cair, semikonduktor, semilogam.

Dalam kasus yang paling sederhana, jika, katakanlah, arus listrik melewati kabel nichrome, itu akan memanas. Fenomena ini digunakan pada perangkat pemanas: di ceret listrik, di boiler, di pemanas, kompor listrik, dll. Dalam pengelasan busur listrik, suhu busur listrik biasanya mencapai 7000 ° C, dan logam mudah meleleh, ini juga merupakan efek panas dari arus.

Jumlah panas yang dilepaskan pada bagian rangkaian tergantung pada tegangan yang diberikan pada bagian ini, nilai arus yang mengalir dan waktu alirannya (Hukum Joule-Lenz).

Setelah Anda mengonversi hukum Ohm untuk suatu bagian rangkaian, Anda dapat menggunakan voltase atau arus untuk menghitung jumlah panas, tetapi kemudian Anda harus mengetahui resistansi rangkaian karena membatasi arus dan benar-benar menyebabkan panas. Atau, dengan mengetahui arus dan tegangan dalam suatu rangkaian, Anda dapat dengan mudah menemukan jumlah panas yang dihasilkan.

Aksi kimia arus listrik

Elektrolit yang mengandung ion dengan arus listrik searah dielektrolisis — ini adalah aksi kimia dari arus. Ion negatif (anion) tertarik ke elektroda positif (anoda) selama elektrolisis, dan ion positif (kation) tertarik ke elektroda negatif (katoda). Artinya, zat yang terkandung dalam elektrolit dilepaskan selama elektrolisis di elektroda sumber arus.

Misalnya, sepasang elektroda direndam dalam larutan asam, alkali, atau garam tertentu, dan ketika arus listrik melewati rangkaian, muatan positif dibuat pada satu elektroda dan muatan negatif pada elektroda lainnya. Ion yang terkandung dalam larutan mulai mengendap pada elektroda dengan muatan terbalik.

Misalnya, selama elektrolisis tembaga sulfat (CuSO4), kation tembaga Cu2 + dengan muatan positif pindah ke katoda bermuatan negatif, di mana mereka menerima muatan yang hilang, dan berubah menjadi atom tembaga netral, mengendap di permukaan elektroda. Gugus hidroksil -OH akan menyumbangkan elektron ke anoda dan oksigen akan dilepaskan sebagai hasilnya. Kation hidrogen bermuatan positif H+ dan anion SO42- bermuatan negatif akan tetap berada dalam larutan.

Tindakan kimia dari arus listrik digunakan dalam industri, misalnya, untuk memecah air menjadi bagian komponennya (hidrogen dan oksigen). Selain itu, elektrolisis memungkinkan Anda mendapatkan beberapa logam dalam bentuk murni. Dengan bantuan elektrolisis, lapisan tipis logam tertentu (nikel, kromium) diterapkan ke permukaan - itu saja lapisan galvanik dll.

Pada tahun 1832, Michael Faraday menetapkan bahwa massa m zat yang dilepaskan pada elektroda berbanding lurus dengan muatan listrik q yang melewati elektrolit. Jika arus searah I mengalir melalui elektrolit selama waktu t, maka berlaku hukum pertama elektrolisis Faraday:

Di sini faktor proporsionalitas k disebut ekuivalen elektrokimia dari zat tersebut. Ini secara numerik sama dengan massa suatu zat yang dilepaskan ketika muatan listrik melewati elektrolit, dan tergantung pada sifat kimiawi zat tersebut.

Aksi magnetik arus listrik

Di hadapan arus listrik dalam konduktor apa pun (dalam keadaan padat, cair atau gas), medan magnet diamati di sekitar konduktor, yaitu konduktor pembawa arus memperoleh sifat magnetik.

Jadi jika sebuah magnet dibawa ke kawat yang dilalui arus, misalnya berupa jarum kompas magnetik, maka jarum akan berputar tegak lurus dengan kawat tersebut, dan jika Anda melilitkan kawat pada inti besi dan melewati arus langsung. arus melalui kawat, inti akan menjadi elektromagnet.

Pada tahun 1820, Oersted menemukan efek magnetik dari arus pada jarum magnet, dan Ampere menetapkan hukum kuantitatif interaksi magnetik kabel pembawa arus.

Medan magnet selalu dihasilkan oleh arus, yaitu muatan listrik yang bergerak, khususnya partikel bermuatan (elektron, ion). Arus berlawanan saling tolak, arus searah menarik satu sama lain.

Interaksi mekanis semacam itu terjadi karena interaksi medan magnet arus, yaitu, pertama-tama, interaksi magnetik, dan baru kemudian - mekanis. Dengan demikian, interaksi magnetik arus adalah yang utama.

Pada tahun 1831, Faraday menemukan bahwa medan magnet yang berubah dari satu sirkuit menghasilkan arus di sirkuit lain: EMF yang dihasilkan sebanding dengan laju perubahan fluks magnet. Adalah logis bahwa aksi magnetis dari arus yang digunakan hingga hari ini di semua transformator, tidak hanya di elektromagnet (misalnya, di industri).

Efek cahaya arus listrik

Dalam bentuknya yang paling sederhana, efek bercahaya dari arus listrik dapat diamati pada lampu pijar, yang kumparannya dipanaskan oleh arus yang melewatinya menjadi panas putih dan memancarkan cahaya.

Untuk lampu pijar, energi cahaya mewakili sekitar 5% listrik yang dialirkan, 95% sisanya diubah menjadi panas.

Lampu neon lebih efisien mengubah energi saat ini menjadi cahaya — hingga 20% listrik diubah menjadi cahaya tampak berkat fosfor yang menerima radiasi ultraviolet dari pelepasan listrik dalam uap merkuri atau dalam gas inert seperti neon.

Efek cahaya arus listrik diwujudkan lebih efektif dalam LED. Ketika arus listrik melewati persimpangan pn ke arah depan, pembawa muatan — elektron dan lubang — bergabung kembali dengan emisi foton (karena transisi elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya).

Pemancar cahaya terbaik adalah semikonduktor celah langsung (yaitu, yang memungkinkan transisi optik langsung), seperti GaAs, InP, ZnSe, atau CdTe. Dengan mengubah komposisi semikonduktor, LED dapat dibuat untuk semua jenis panjang gelombang dari ultraviolet (GaN) hingga inframerah menengah (PbS). Efisiensi LED sebagai sumber cahaya rata-rata mencapai 50%.

Aksi mekanis arus listrik

Seperti disebutkan di atas, setiap konduktor yang melaluinya arus listrik mengalir di sekelilingnya Medan gaya… Tindakan magnetis diubah menjadi gerakan, misalnya di motor listrik, di perangkat pengangkat magnet, di katup magnet, di relai, dll.

Tindakan mekanis dari satu arus pada arus lainnya dijelaskan oleh hukum Ampere. Hukum ini pertama kali ditetapkan oleh Andre Marie Ampere pada tahun 1820 untuk arus searah. Dari Hukum Ampere Oleh karena itu kabel paralel dengan arus listrik yang mengalir dalam satu arah menarik dan yang berlawanan arah menolak.

Hukum Ampere juga disebut hukum yang menentukan gaya medan magnet yang bekerja pada segmen kecil konduktor pembawa arus. Gaya medan magnet yang bekerja pada elemen kawat pembawa arus dalam medan magnet berbanding lurus dengan arus dalam kawat dan produk vektor elemen dari panjang kawat dan induksi magnet.

Prinsip ini didasarkan pada pengoperasian motor listrik, di mana rotor memainkan peran bingkai dengan arus yang berorientasi pada medan magnet luar stator oleh torsi M.