Actions du courant électrique : thermique, chimique, magnétique, lumineuse et mécanique
Le courant électrique dans un circuit se manifeste toujours par une sorte d'action. Il peut s'agir à la fois d'un fonctionnement à une certaine charge et de l'effet concomitant du courant. Ainsi, par l'action du courant, on peut juger de sa présence ou de son absence dans un circuit donné : si la charge fonctionne, il y a du courant. Si un phénomène typique accompagnant le courant est observé, il y a un courant dans le circuit, etc.
En principe, le courant électrique est capable de provoquer différentes actions : thermique, chimique, magnétique (électromagnétique), lumineuse ou mécanique, et différents types d'actions de courant se produisent souvent simultanément. Ces phénomènes et actions actuels seront discutés dans cet article.
Effet thermique du courant électrique
Lorsqu'un courant continu ou alternatif circule dans un fil, le fil s'échauffe. De tels fils chauffants dans différentes conditions et applications peuvent être : métaux, électrolytes, plasma, métaux en fusion, semi-conducteurs, semi-métaux.
Dans le cas le plus simple, si, par exemple, un courant électrique passe à travers un fil de nichrome, il va chauffer. Ce phénomène est utilisé dans les appareils de chauffage : dans les bouilloires électriques, dans les chaudières, dans les radiateurs, les cuisinières électriques, etc. En soudage à l'arc électrique, la température de l'arc électrique atteint généralement 7000 ° C et le métal fond facilement, c'est aussi un effet thermique du courant.
La quantité de chaleur dégagée dans la section du circuit dépend de la tension appliquée à cette section, de la valeur du courant qui circule et de la durée de son parcours (La loi Joule-Lenz).
Une fois que vous avez converti la loi d'Ohm pour une section de circuit, vous pouvez utiliser la tension ou le courant pour calculer la quantité de chaleur, mais vous devez alors connaître la résistance du circuit car elle limite le courant et provoque en fait un échauffement. Ou, connaissant le courant et la tension dans un circuit, vous pouvez tout aussi facilement trouver la quantité de chaleur générée.
Action chimique du courant électrique
Électrolytes contenant des ions par courant électrique continu électrolysé — c'est l'action chimique du courant. Les ions négatifs (anions) sont attirés vers l'électrode positive (anode) pendant l'électrolyse, et les ions positifs (cations) sont attirés vers l'électrode négative (cathode). C'est-à-dire que les substances contenues dans l'électrolyte sont libérées lors de l'électrolyse au niveau des électrodes de la source de courant.
Par exemple, une paire d'électrodes est immergée dans une solution d'un certain acide, alcali ou sel, et lorsqu'un courant électrique traverse le circuit, une charge positive est créée sur une électrode et une charge négative sur l'autre. Les ions contenus dans la solution commencent à se déposer sur l'électrode avec une charge inverse.
Par exemple, lors de l'électrolyse du sulfate de cuivre (CuSO4), les cations de cuivre Cu2 + avec une charge positive se déplacent vers la cathode chargée négativement, où ils reçoivent la charge manquante, et se transforment en atomes de cuivre neutres, se déposant à la surface de l'électrode. Le groupe hydroxyle -OH donnera des électrons à l'anode et de l'oxygène sera libéré en conséquence. Les cations hydrogène chargés positivement H+ et les anions SO42- chargés négativement resteront en solution.
L'action chimique d'un courant électrique est utilisée dans l'industrie, par exemple, pour décomposer l'eau en ses composants (hydrogène et oxygène). De plus, l'électrolyse vous permet d'obtenir certains métaux sous leur forme pure. À l'aide de l'électrolyse, une fine couche d'un certain métal (nickel, chrome) est appliquée sur la surface - c'est tout revêtement galvanique etc.
En 1832, Michael Faraday a établi que la masse m de la substance libérée à l'électrode est directement proportionnelle à la charge électrique q qui a traversé l'électrolyte. Si un courant continu I traverse l'électrolyte pendant un temps t, alors la première loi d'électrolyse de Faraday s'applique :
Ici, le facteur de proportionnalité k est appelé l'équivalent électrochimique de la substance. Elle est numériquement égale à la masse d'une substance libérée lorsqu'une charge électrique traverse l'électrolyte et dépend de la nature chimique de la substance.
Action magnétique du courant électrique
En présence d'un courant électrique dans n'importe quel conducteur (à l'état solide, liquide ou gazeux), un champ magnétique est observé autour du conducteur, c'est-à-dire que le conducteur porteur de courant acquiert des propriétés magnétiques.
Donc, si un aimant est amené sur le fil à travers lequel le courant circule, par exemple sous la forme d'une aiguille de boussole magnétique, alors l'aiguille tournera perpendiculairement au fil, et si vous enroulez le fil sur un noyau de fer et passez un direct courant à travers le fil, le noyau deviendra électro-aimant.
En 1820, Oersted découvrit l'effet magnétique du courant sur une aiguille magnétique et Ampère établit les lois quantitatives de l'interaction magnétique des fils conducteurs de courant.
Le champ magnétique est toujours généré par du courant, c'est-à-dire des charges électriques en mouvement, en particulier des particules chargées (électrons, ions). Les courants opposés se repoussent, les courants unidirectionnels s'attirent.
Une telle interaction mécanique se produit en raison de l'interaction des champs magnétiques des courants, c'est-à-dire qu'il s'agit d'abord d'une interaction magnétique, et ensuite seulement - mécanique. Ainsi, l'interaction magnétique des courants est primordiale.
En 1831, Faraday a découvert qu'un champ magnétique changeant d'un circuit génère un courant dans un autre circuit : la FEM générée est proportionnelle au taux de variation du flux magnétique. Il est logique que ce soit l'action magnétique des courants qui soit utilisée à ce jour dans tous les transformateurs, pas seulement dans les électroaimants (par exemple, dans les industriels).
Effet lumineux du courant électrique
Dans sa forme la plus simple, l'effet lumineux d'un courant électrique peut être observé dans une lampe à incandescence dont la bobine est chauffée par le courant qui la traverse jusqu'à la chaleur blanche et émet de la lumière.
Pour une lampe à incandescence, l'énergie lumineuse représente environ 5% de l'électricité délivrée, les 95% restants étant convertis en chaleur.
Les lampes fluorescentes convertissent plus efficacement l'énergie du courant en lumière — jusqu'à 20 % de l'électricité est convertie en lumière visible grâce aux luminophores qui reçoivent rayonnement ultraviolet d'une décharge électrique dans la vapeur de mercure ou dans un gaz inerte tel que le néon.
L'effet lumineux du courant électrique est réalisé plus efficacement dans les LED. Lorsqu'un courant électrique traverse la jonction pn dans le sens direct, les porteurs de charge - électrons et trous - se recombinent avec l'émission de photons (due au passage des électrons d'un niveau d'énergie à un autre).
Les meilleurs émetteurs de lumière sont les semi-conducteurs à gap direct (c'est-à-dire ceux dans lesquels les transitions optiques directes sont autorisées), tels que GaAs, InP, ZnSe ou CdTe. En modifiant la composition des semi-conducteurs, les LED peuvent être fabriquées pour toutes sortes de longueurs d'onde, de l'ultraviolet (GaN) à l'infrarouge moyen (PbS). L'efficacité de la LED comme source lumineuse atteint en moyenne 50 %.
Action mécanique du courant électrique
Comme indiqué ci-dessus, tout conducteur traversé par un courant électrique se forme autour de lui-même champ magnétique… Les actions magnétiques sont converties en mouvement, par exemple dans les moteurs électriques, dans les appareils de levage magnétiques, dans les vannes magnétiques, dans les relais, etc.
L'action mécanique d'un courant sur un autre est décrite par la loi d'Ampère. Cette loi a été établie pour la première fois par André Marie Ampère en 1820 pour le courant continu. Depuis Loi d'Ampère il s'ensuit que les fils parallèles avec des courants électriques circulant dans une direction s'attirent et ceux dans des directions opposées se repoussent.
La loi d'Ampère est aussi appelée la loi qui détermine la force avec laquelle un champ magnétique agit sur un petit segment d'un conducteur porteur de courant. La force avec laquelle un champ magnétique agit sur un élément d'un fil conducteur de courant dans un champ magnétique est directement proportionnelle au courant dans le fil et au produit vectoriel de l'élément de la longueur du fil et de l'induction magnétique.
Ce principe repose sur fonctionnement des moteurs électriques, où le rotor joue le rôle d'un bâti avec un courant orienté dans le champ magnétique externe du stator par le couple M.