Efectele curentului electric

Efectele curentului electric

1 Efectul termic (efectul Joule). Consta in transformarea energie electrice in caldura. Cand se conecteaza un circuit electric la bornele unei surse, curentul electric prin circuit se stabileste practic instantaneu. Insa electronii au o viteza de deplasare mica fata de viteza luminii, de 10⁵ - 10⁶ cm/s, astfel pentru deplasarea lor prin conductor se consuma energie sub forma de lucru mecanic. Aceasta energie provine de la campul electric creat in circuit de sursa electrica. Acest camp nu numai ca pune in miscare electronii, dar le intretine si miscarea prin invingerea rezistentei care se opune inaintarii lor. Aceasta energie consumata se transforma in energie termica (caldura), care, la randul ei, are ca efect ridicarea temperaturii materialului respectiv (efect Joule).

Pentru o portiune de circuit, energia electrica, W, transformata in caldura, Q, reprezentand lucrul mecanic pentru a transporta sarcina electrica q intre doua puncte care au diferenta de potential U, este data de expresia:

  (21)

iar puterea respectiva:

  (22)

Aplicatiile efectului Joule sunt diverse: functionarea becurilor cu incandescenta, a aparatelor de incalzit, a cuptoarelor electrice, a sigurantei fuzibile si a instrumentelor de masura

In SI unitatea de masura a energiei este J (joulul), iar ca unitate tehnica pentru cantitati mari de energie se foloseste kWh;

In plus, tot ca unitate tehnica pentru energie, indeosebi in cazul sistemelor care produc incalzirea sau racirea maselor de aer, se foloseste unitatea englezeasca de energie BTU;

2 Efectul chimic. Reprezinta in principiu fenomenul de descompunere in ioni cu ajutorul curentului electric a unor substante solide (electroliti) dizolvate intr-un lichid sau in stare topita. Cele mai importante aplicatii sunt:

- inmagazinarea energiei electrice (bateriile electrice, acumulatoarele);

- electroliza solutiilor si topiturilor.

Acumulatoarele servesc la pastrarea unei cantitati de energie electrica, introdusa in urma unui proces de incarcare, iar apoi la furnizarea ei sub forma de curent electric continuu intr-un proces de descarcare.

In principiu, un acumulator este format din doi electrozi scufundati intr-o solutie. Dupa tipul electrozilor exista acumulatoare cu placi de plumb, de fero-nichel, de argint, in fiecare acumulator avand loc reactii chimice diferite la incarcare, de cele din procesul descarcarii.

Un acumulator nu trebuie folosit decat pana la o tensiune limita, altfel se deterioreaza. El trebuie manevrat cu atentie atat in timpul folosirii cat si la incarcare. Scurtcircuitarea bornelor atrage dupa sine debitarea unui curent foarte intens, care duce rapid la descarcare sau chiar distrugere. La incarcare, bornele acumulatorului sunt la un generator de curent continuu la bornele de acelasi semn.

In timpul incarcarii, odata cu cresterea tensiunii acumulatorului, U_ac, scade intensitatea curentului de incarcare, I_inc, dat de relatia:

 

unde U_g este tensiunea generatorului, iar R este rezistenta totala a circuitului.

Intr-un acumulator cu placi de plumb, scufundate intr-o solutie de acid sulfuric, are loc un proces de disociatie electrolitica;

 

In timpul incarcarii ionii de H⁺ (cationi) sunt atrasi de catod, conectat la borna "-" a generatorului, unde are loc reactia:

formandu-se hidrogen care se degaja.

Anionul se neutralizeaza si el la anod prin cedarea sarcinii electrice 2e, preluata de cation pentru neutralizarea sa, avand loc reactiile:

 

Oxigenul duce la formarea de PbO₂ la anod, iar concentratia acidului sulfuric creste.

Dupa cum se observa, nu se inmagazineaza electricitate, ci trecerea curentului electric la incarcare favorizeaza o anumita reactie chimica, in urma careia se obtin de fapt doi electrozi diferiti: unul de plumb si altul pe care s-a depus un strat de PbO₂.

La descarcare, bornele acumulatorului sunt legate la un consumator prin care circula un curent electric, de electroni, de la anod la catod, iar prin acumulator curentul se continua, circuland de la catod la anod, fiind produs de miscarea ionilor ce apar in urmatoarelor reactii chimice:

adica hidrogenul se neutralizeaza la anod prin captarea unui electron, pozitivand anodul. Mai departe, interactiunea acidului sulfuric cu PbO conduce la formarea de sulfat de plumb;

  (28)

Anionul face acelasi lucru prin depunerea sarcinii la catod, formand tot PbSO₄;

(29)

Aceasta sarcina ajunge tot la anod prin circuitul exterior, realizand curentul electric de descarcare, de unde este folosita de ioni H⁺. In acest fel, in timpul descarcarii, concentratia acidului sulfuric scade.

Electroliza constituite tot miscarea dirijata a ionilor intr-un electrolit sub actiunea campului electric. Fenomenul are loc prin aplicarea unei tensiuni intre doi electrozi scufundati intr-un electrolit. Ionii obtinuti in urma procesului de disociere, sub actiunea campului electric se vor deplasa catre electrozi. Vorbim de un curent ionic, spre deosebire de curentul de electroni din circuitele electrice obisnuite.

Anionii, dupa ce lasa sarcina la anod, se degaja sub forma de gaze (oxigen, halogen) sau formeaza cu apa acidul respectiv (sulfuric, clorhidric, etc.). In schimb, cationii, cu exceptia hidrogenului, sunt metale care se depun pe catod sub forma unui strat (argint, cupru, aluminiu, etc.)

Aplicatiile electrolizei sunt numeroase, gasindu-se in domenii diferite:

- galvanoplastia, consta in acoperirea unor obiecte metalice cu straturi subtiri (aur, argint, nichel, crom), rezistente la actiuni corozive;

- galvanostegia, este tehnica reproducerii sculpturilor prin confectionarea de mulaje plastice (ceara, guma) care sunt impregnate cu un strat de grafit pentru a le face conductoare;

purificarea elementelor (rafinarea electrica), permite obtinerea unor elemente foarte pure (Cu, Ag, Pt, Zn, etc.), prin transferul metalului respectiv de pe anodul format din metalul impur pe catodul confectionat dintr-o lama sau fir pur din acelasi material (electroliza cu anod solubil);

- electrometalurgia, este o tehnica de o importanta deosebita in obtinerea industriala a unor metale foarte pure, printre care aluminiul. Materia de baza, in acest caz este alumina, adica praful de oxid de aluminiu (Al₂O₃), obtinut din bauxita, dar care contine impuritati. Pentru un control al temperaturii de topire se adauga fluorura de calciu (CaF₂)_, amestecul format fiind topit intr-un vas (cuva electrolitica) cu peretii acoperiti cu praf de carbune sau grafit (catodul), in care sunt introdusi anozii confectionati tot din carbon. In urma topirii aluminiul prezent ca ion (Al³⁺) se neutralizeaza pe catod si se depune pe fundul cuvei sub forma topita, de unde este extras.

3 Efectul magnetic. Consta in aparitia unui camp magnetic in jurul oricarui conductor parcurs de curent electric.