Wirkungen von elektrischem Strom: thermisch, chemisch, magnetisch, licht und mechanisch

Elektrischer Strom in einem Stromkreis manifestiert sich immer durch irgendeine Art seiner Wirkung. Dabei kann es sich sowohl um den Betrieb bei einer bestimmten Belastung als auch um die damit einhergehende Einwirkung des Stroms handeln. Somit kann anhand der Wirkung des Stroms beurteilt werden, ob er in einem bestimmten Stromkreis vorhanden ist oder nicht: Wenn die Last arbeitet, ist Strom vorhanden. Wenn ein typisches Phänomen beobachtet wird, das den Strom begleitet, liegt ein Strom im Stromkreis usw. vor.

Grundsätzlich kann elektrischer Strom unterschiedliche Wirkungen hervorrufen: thermisch, chemisch, magnetisch (elektromagnetisch), Licht oder mechanisch, und oft treten verschiedene Arten von Stromwirkungen gleichzeitig auf. Diese aktuellen Phänomene und Aktionen werden in diesem Artikel besprochen.

Thermische Wirkung von elektrischem Strom

Wenn Gleich- oder Wechselstrom durch einen Draht fließt, erwärmt sich der Draht. Solche Heizdrähte können unter verschiedenen Bedingungen und Anwendungen sein: Metalle, Elektrolyte, Plasma, geschmolzene Metalle, Halbleiter, Halbmetalle.

Im einfachsten Fall, wenn beispielsweise ein elektrischer Strom durch einen Nichromdraht fließt, erwärmt sich dieser. Dieses Phänomen wird bei Heizgeräten genutzt: in Wasserkochern, in Boilern, in Heizgeräten, Elektroherden usw. Beim Lichtbogenschweißen erreicht die Temperatur des Lichtbogens normalerweise 7000 °C und das Metall schmilzt leicht, auch dies ist eine Wärmewirkung des Stroms.

Die im Abschnitt des Stromkreises freigesetzte Wärmemenge hängt von der an diesem Abschnitt angelegten Spannung, der Größe des fließenden Stroms und der Zeit seines Flusses ab (Das Joule-Lenz-Gesetz).

Sobald Sie das Ohmsche Gesetz für einen Abschnitt des Stromkreises umgewandelt haben, können Sie entweder Spannung oder Strom verwenden, um die Wärmemenge zu berechnen. Dann müssen Sie jedoch den Widerstand des Stromkreises kennen, da dieser den Strom begrenzt und tatsächlich eine Erwärmung verursacht. Wenn Sie den Strom und die Spannung in einem Stromkreis kennen, können Sie genauso leicht die erzeugte Wärmemenge ermitteln.

Chemische Wirkung von elektrischem Strom

Ionenhaltiger Elektrolyt durch Gleichstrom elektrolysiert — das ist die chemische Wirkung des Stroms. Während der Elektrolyse werden negative Ionen (Anionen) von der positiven Elektrode (Anode) und positive Ionen (Kationen) von der negativen Elektrode (Kathode) angezogen. Das heißt, die im Elektrolyten enthaltenen Stoffe werden bei der Elektrolyse an den Elektroden der Stromquelle freigesetzt.

Beispielsweise wird ein Elektrodenpaar in eine Lösung einer bestimmten Säure, Lauge oder eines Salzes eingetaucht, und wenn ein elektrischer Strom durch den Stromkreis fließt, entsteht an einer Elektrode eine positive Ladung und an der anderen eine negative Ladung. Die in der Lösung enthaltenen Ionen beginnen sich mit umgekehrter Ladung auf der Elektrode abzulagern.

Beispielsweise wandern bei der Elektrolyse von Kupfersulfat (CuSO4) Kupferkationen Cu2+ mit positiver Ladung zur negativ geladenen Kathode, wo sie die fehlende Ladung erhalten, sich in neutrale Kupferatome verwandeln und sich auf der Oberfläche der Elektrode absetzen. Die Hydroxylgruppe -OH gibt Elektronen an die Anode ab und dadurch wird Sauerstoff freigesetzt. Die positiv geladenen Wasserstoffkationen H + und die negativ geladenen SO42- Anionen bleiben in Lösung.

Die chemische Wirkung von elektrischem Strom wird beispielsweise in der Industrie genutzt, um Wasser in seine Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) zu zerlegen. Außerdem ermöglicht die Elektrolyse die Gewinnung einiger Metalle in reiner Form. Mithilfe der Elektrolyse wird eine dünne Schicht eines bestimmten Metalls (Nickel, Chrom) auf die Oberfläche aufgetragen – fertig galvanische Beschichtung usw.

Im Jahr 1832 stellte Michael Faraday fest, dass die Masse m der an der Elektrode freigesetzten Substanz direkt proportional zur elektrischen Ladung q ist, die durch den Elektrolyten fließt. Fließt für die Zeit t ein Gleichstrom I durch den Elektrolyten, so gilt das erste Faradaysche Gesetz der Elektrolyse:

Hier wird der Proportionalitätsfaktor k als elektrochemisches Äquivalent des Stoffes bezeichnet. Sie entspricht numerisch der Masse einer Substanz, die beim Durchgang einer elektrischen Ladung durch den Elektrolyten freigesetzt wird, und hängt von der chemischen Natur der Substanz ab.

Magnetische Wirkung von elektrischem Strom

Bei Vorhandensein eines elektrischen Stroms in einem beliebigen Leiter (im festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand) wird um den Leiter herum ein Magnetfeld beobachtet, d. h. der stromdurchflossene Leiter erhält magnetische Eigenschaften.

Bringt man also einen Magneten an den Draht, durch den der Strom fließt, zum Beispiel in Form einer magnetischen Kompassnadel, dann dreht sich die Nadel senkrecht zum Draht, und wenn man den Draht auf einen Eisenkern wickelt und einen direkten Durchgang durchführt Wenn Strom durch den Draht fließt, wird der Kern zum Elektromagneten.

Im Jahr 1820 entdeckte Oersted die magnetische Wirkung von Strom auf eine Magnetnadel und Ampere stellte die quantitativen Gesetze der magnetischen Wechselwirkung stromführender Drähte auf.

Das Magnetfeld wird immer durch Strom erzeugt, also durch bewegte elektrische Ladungen, insbesondere geladene Teilchen (Elektronen, Ionen). Entgegengesetzte Ströme stoßen sich gegenseitig ab, gleichgerichtete Ströme ziehen sich gegenseitig an.

Eine solche mechanische Wechselwirkung entsteht durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern und Strömen, das heißt, es handelt sich zunächst um eine magnetische Wechselwirkung und erst dann um eine mechanische. Somit ist die magnetische Wechselwirkung der Ströme primär.

Im Jahr 1831 fand Faraday heraus, dass ein sich änderndes Magnetfeld eines Stromkreises einen Strom in einem anderen Stromkreis erzeugt: Die erzeugte EMF ist proportional zur Änderungsrate des Magnetflusses. Es ist logisch, dass die magnetische Wirkung von Strömen bis heute in allen Transformatoren genutzt wird, nicht nur in Elektromagneten (z. B. in Industriemagneten).

Lichteffekt von elektrischem Strom

In seiner einfachsten Form lässt sich die Leuchtwirkung eines elektrischen Stroms in einer Glühlampe beobachten, deren Wendel sich durch den durch sie fließenden Strom bis zur Weißglut erhitzt und Licht aussendet.

Bei einer Glühlampe macht die Lichtenergie etwa 5 % des gelieferten Stroms aus, die restlichen 95 % werden in Wärme umgewandelt.

Leuchtstofflampen wandeln aktuelle Energie effizienter in Licht um – dank der empfangenden Leuchtstoffe werden bis zu 20 % des Stroms in sichtbares Licht umgewandelt UV-Strahlung durch eine elektrische Entladung in Quecksilberdampf oder in einem Inertgas wie Neon.

Die Lichtwirkung von elektrischem Strom wird bei LEDs noch effektiver umgesetzt. Wenn ein elektrischer Strom in Vorwärtsrichtung durch den pn-Übergang fließt, rekombinieren die Ladungsträger – Elektronen und Löcher – unter Emission von Photonen (aufgrund des Übergangs von Elektronen von einem Energieniveau zum anderen).

Die besten Lichtemitter sind Halbleiter mit direkter Bandlücke (also solche, bei denen direkte optische Übergänge zulässig sind), wie etwa GaAs, InP, ZnSe oder CdTe. Durch Änderung der Zusammensetzung der Halbleiter können LEDs für alle Arten von Wellenlängen hergestellt werden, vom ultravioletten (GaN) bis zum mittleren Infrarot (PbS). Der Wirkungsgrad der LED als Lichtquelle erreicht durchschnittlich 50 %.

Mechanische Wirkung von elektrischem Strom

Wie oben erwähnt, bildet sich jeder Leiter, durch den ein elektrischer Strom fließt, um sich selbst Magnetfeld… Magnetische Wirkungen werden in Bewegung umgewandelt, beispielsweise in Elektromotoren, in magnetischen Hebegeräten, in Magnetventilen, in Relais usw.

Die mechanische Wirkung eines Stroms auf einen anderen wird durch das Amperesche Gesetz beschrieben. Dieses Gesetz wurde erstmals 1820 von Andre Marie Ampere für Gleichstrom eingeführt. Aus Ampere-Gesetz Daraus folgt, dass parallele Drähte, deren elektrische Ströme in eine Richtung fließen, sich anziehen und solche in entgegengesetzter Richtung abstoßen.

Das Amperesche Gesetz wird auch das Gesetz genannt, das die Kraft bestimmt, mit der ein Magnetfeld auf einen kleinen Abschnitt eines stromdurchflossenen Leiters einwirkt. Die Kraft, mit der ein Magnetfeld auf ein Element eines stromdurchflossenen Drahtes in einem Magnetfeld einwirkt, ist direkt proportional zum Strom im Draht und dem Elementvektorprodukt aus der Länge des Drahtes und der magnetischen Induktion.

Dieses Prinzip basiert auf Betrieb von Elektromotoren, wobei der Rotor die Rolle eines Rahmens mit einem Strom spielt, der durch das Drehmoment M im äußeren Magnetfeld des Stators ausgerichtet ist.