Za opisivanje procesa u fizici i kemiji postoji niz zakona i odnosa dobivenih eksperimentalno i proračunskim putem. Niti jedno istraživanje ne može se provesti bez preliminarne procjene procesa teorijskim odnosima. Faradayevi zakoni primjenjuju se u fizici i kemiji, a u ovom članku pokušat ćemo vam ukratko i jasno ispričati sva slavna otkrića ovog velikog znanstvenika.
Sadržaj:
- Povijest otkrića
- Elektrodinamika
- Elektroliza
Povijest otkrića
Faradayev zakon u elektrodinamici otkrila su dva znanstvenika: Michael Faraday i Joseph Henry, no Faraday je rezultate svog rada objavio ranije - 1831. godine.
U svojim demonstracijskim pokusima u kolovozu 1831. koristio je željezni torus, na čije je suprotne krajeve bila namotana žica (jedna žica po strani). Napajao je struju iz galvanske baterije na krajeve jedne od prvih žica i spojio galvanometar na terminale druge. Dizajn je bio sličan modernom transformatoru. Povremeno je uključivao i gasio napon na prvoj žici, promatrao je rafale na galvanometru.
Galvanometar je vrlo osjetljiv instrument za mjerenje jačine malih struja.
Tako je prikazan utjecaj magnetskog polja nastalog kao rezultat protoka struje u prvoj žici na stanje drugog vodiča. Taj se udar s prvog na drugi prenosio kroz jezgru – metalni torus. Kao rezultat istraživanja otkriven je i utjecaj trajnog magneta koji se kreće u zavojnici na njezin namot.
Zatim je Faraday objasnio fenomen elektromagnetske indukcije u smislu linija sile. Drugi je bio uređaj za generiranje istosmjerne struje: bakreni disk se okretao u blizini magneta, a žica koja je klizala duž njega bila je kolektor struje. Ovaj izum se zove Faradayev disk.
Znanstvenici tog razdoblja nisu prepoznali Faradayeve ideje, no Maxwell je istraživanje uzeo u osnovu svoje magnetske teorije. Godine 1836. g. Michael Faraday uspostavio je odnose za elektrokemijske procese, koji su nazvani Faradayevi zakoni elektrolize. Prvi opisuje omjer mase tvari oslobođene na elektrodi i struje koja teče, a drugi omjer mase tvari u otopini i oslobođene na elektrodi, za određenu količinu struja.
Elektrodinamika
Prvi radovi se koriste u fizici, točnije u opisu rada električnih strojeva i uređaja (transformatora, motora itd.). Faradayev zakon kaže:
Za krug, inducirani EMF izravno je proporcionalan veličini brzine magnetskog toka koji se kreće kroz ovaj krug sa predznakom minus.
To se može reći jednostavnim riječima: što se brže magnetski tok kreće kroz krug, to se više EMF stvara na njegovim terminalima.
Formula izgleda ovako:
Ovdje je dF magnetski tok, a dt jedinica vremena. Poznato je da je prvi vremenski izvod brzina. Odnosno, brzina kretanja magnetskog toka u ovom konkretnom slučaju. Usput, izvor magnetskog polja (zavojnica sa strujom - elektromagnet, ili trajni magnet) i krug mogu se kretati.
Ovdje se protok može izraziti sljedećom formulom:
B je magnetsko polje, a dS površina.
Ako uzmemo u obzir zavojnicu sa čvrsto namotanim zavojima, dok je u broju zavoja N, tada Faradayev zakon izgleda ovako:
Magnetski tok u formuli za jedan okret, mjeren u Weberu. Struja koja teče u krugu naziva se induktivna.
Elektromagnetska indukcija je fenomen strujanja struje u zatvorenoj petlji pod utjecajem vanjskog magnetskog polja.
U gornjim formulama možda ste primijetili znakove modula, bez njih on ima malo drugačiji oblik, kao što je rečeno u prvoj formulaciji, sa predznakom minus.
Znak minus objašnjava Lenzovo pravilo. Struja koja nastaje u krugu stvara magnetsko polje, usmjerena je u suprotnom smjeru. To je posljedica zakona održanja energije.
Smjer indukcijske struje može se odrediti pravilom desne ruke odn kardan, detaljno smo ga ispitali na našoj web stranici.
Kao što je već spomenuto, zahvaljujući fenomenu elektromagnetske indukcije, rade električni strojevi, transformatori, generatori i motori. Na slici je prikazan protok struje u namotu armature pod utjecajem magnetskog polja statora. U slučaju generatora, kada se njegov rotor rotira vanjskim silama, u namotima rotora nastaje EMF, struja stvara magnetsko polje usmjereno u suprotnom smjeru (isti znak minus u formuli). Što više struje troši opterećenje generatora, to je veće ovo magnetsko polje i teže ga je rotirati.
I obrnuto - kada struja teče u rotoru, nastaje polje koje stupa u interakciju s poljem statora i rotor se počinje okretati. S opterećenjem na osovini povećava se struja u statoru i u rotoru, pri čemu je potrebno osigurati preklapanje namota, no to je druga tema vezana za projektiranje električnih strojeva.
U središtu rada transformatora, izvor pokretnog magnetskog toka je izmjenično magnetsko polje koje proizlazi iz toka izmjenične struje u primarnom namotu.
Ako želite detaljnije proučiti problem, preporučujemo da pogledate video, koji jednostavno i jednostavno objašnjava Faradayev zakon za elektromagnetsku indukciju:
Elektroliza
Osim istraživanja EMF-a i elektromagnetske indukcije, znanstvenik je napravio velika otkrića u drugim disciplinama, uključujući kemiju.
Kada struja teče kroz elektrolit, ioni (pozitivni i negativni) počinju juriti prema elektrodama. Negativne se kreću prema anodi, pozitivne prema katodi. U tom slučaju se na jednoj od elektroda oslobađa određena masa tvari koja se nalazi u elektrolitu.
Faraday je provodio eksperimente, propuštajući različite struje kroz elektrolit i mjereći masu tvari taložene na elektrodama, zaključivao uzorke.
m = k * Q
m je masa tvari, q je naboj, a k ovisi o sastavu elektrolita.
A naboj se može izraziti u terminima struje u određenom vremenskom razdoblju:
I = q / t, onda q = i * t
Sada možete odrediti masu tvari koja će se osloboditi, znajući struju i vrijeme koje je protekla. To se zove Faradayev prvi zakon elektrolize.
drugi zakon:
Masa kemijskog elementa koji se taloži na elektrodi izravno je proporcionalna ekvivalentnoj masi element (molarna masa podijeljena brojem koji ovisi o kemijskoj reakciji u kojoj se tvar).
Uzimajući u obzir gore navedeno, ovi zakoni se kombiniraju u formulu:
m je masa tvari koja je oslobođena u gramima, n je broj prenesenih elektrona u elektrodni proces, F = 986485 C / mol - Faradayev broj, t - vrijeme u sekundama, M molarna masa tvar g/mol.
U stvarnosti, zbog različitih razloga, masa emitirane tvari manja je od izračunate (prilikom izračunavanja uzimajući u obzir struju koja teče). Omjer teorijske i stvarne mase naziva se trenutna učinkovitost:
BT = 100% * mnaselje/ mteor
I na kraju, preporučujemo da pogledate detaljno objašnjenje Faradayeva zakona za elektrolizu:
Faradayevi zakoni dali su značajan doprinos razvoju moderne znanosti, zahvaljujući njegovom radu imamo elektromotore i generatore električne energije (kao i rad njegovih sljedbenika). Rad EMF-a i fenomeni elektromagnetske indukcije dali su nam većinu modernog električnu opremu, uključujući zvučnike i mikrofone, bez kojih je nemoguće slušati snimke i glasovnu komunikaciju. Postupci elektrolize koriste se u metodi galvanizacije materijala za oblaganje, koja ima i dekorativnu i praktičnu vrijednost.
Povezani materijali:
- Joule-Lenzov zakon
- Ovisnost otpora vodiča o temperaturi
- Ohmov zakon jednostavnim riječima