Pro popis procesů ve fyzice a chemii existuje řada zákonů a vztahů získaných experimentálně a výpočtem. Žádná studie nemůže být provedena bez předběžného posouzení procesů pomocí teoretických vztahů. Faradayovy zákony se uplatňují ve fyzice a chemii a v tomto článku se vám pokusíme stručně a srozumitelně přiblížit všechny slavné objevy tohoto velkého vědce.
Obsah:
- Historie objevů
- Elektrodynamika
- Elektrolýza
Historie objevů
Faradayův zákon v elektrodynamice objevili dva vědci: Michael Faraday a Joseph Henry, ale Faraday publikoval výsledky své práce již dříve - v roce 1831.
Ve svých demonstračních experimentech v srpnu 1831. používal železný torus, na jehož opačných koncích byl navinut drát (jeden drát na každou stranu). Konce jednoho z prvních drátů napájel z galvanické baterie a ke svorkám druhého vodiče připojil galvanometr. Design byl podobný modernímu transformátoru. Pravidelně zapínal a vypínal napětí na prvním drátu a na galvanometru pozoroval výbuchy.
Galvanometr je vysoce citlivý přístroj pro měření síly malých proudů.
Byl tak znázorněn vliv magnetického pole vzniklého v důsledku toku proudu v prvním drátu na stav druhého vodiče. Tento náraz se přenášel z prvního na druhý přes jádro - kovový torus. Výsledkem výzkumu byl také objeven vliv permanentního magnetu, který se pohybuje v cívce, na její vinutí.
Poté Faraday vysvětlil jev elektromagnetické indukce pomocí siločar. Dalším bylo zařízení na generování stejnosměrného proudu: měděný kotouč se otáčel blízko magnetu a drát klouzající po něm byl sběračem proudu. Tento vynález se nazývá Faradayův disk.
Vědci té doby neuznávali Faradayovy myšlenky, ale Maxwell vzal výzkum do základu své magnetické teorie. V roce 1836 g. Michael Faraday navázal vztahy pro elektrochemické procesy, které se nazývaly Faradayovy zákony elektrolýzy. První popisuje poměr hmotnosti látky uvolněné na elektrodě a protékajícího proudu a druhá poměr hmotnosti látky v roztoku a uvolněné na elektrodě, pro určité množství elektřina.
Elektrodynamika
První práce se využívají ve fyzice, konkrétně při popisu činnosti elektrických strojů a přístrojů (transformátorů, motorů atd.). Faradayův zákon říká:
Pro obvod je indukované EMF přímo úměrné velikosti rychlosti magnetického toku, který se pohybuje tímto obvodem se znaménkem mínus.
To lze říci jednoduchými slovy: čím rychleji se magnetický tok pohybuje obvodem, tím více EMF se generuje na jeho svorkách.
Vzorec vypadá takto:
Zde dФ je magnetický tok a dt je jednotka času. Je známo, že první časovou derivací je rychlost. Tedy rychlost pohybu magnetického toku v tomto konkrétním případě. Mimochodem, zdroj magnetického pole (cívka s proudem - elektromagnet, nebo permanentní magnet) a obvod se mohou pohybovat.
Zde lze tok vyjádřit následujícím vzorcem:
B je magnetické pole a dS je plocha povrchu.
Pokud vezmeme v úvahu cívku s pevně vinutými závity, zatímco v počtu závitů N, pak Faradayův zákon vypadá následovně:
Magnetický tok ve vzorci pro jednu otáčku, měřený ve Weberu. Proud tekoucí obvodem se nazývá indukční.
Elektromagnetická indukce je jev toku proudu v uzavřené smyčce pod vlivem vnějšího magnetického pole.
Ve vzorcích výše jste si mohli všimnout znamének modulu, bez nich má trochu jinou podobu, jak bylo řečeno v první formulaci, se znaménkem mínus.
Znaménko mínus vysvětluje Lenzovo pravidlo. Proud vznikající v obvodu vytváří magnetické pole, je směrován opačným směrem. Je to důsledek zákona zachování energie.
Směr indukčního proudu lze určit pravidlem pravé ruky resp gimbal, podrobně jsme ji zkoumali na našem webu.
Jak již bylo zmíněno, díky fenoménu elektromagnetické indukce fungují elektrické stroje, transformátory, generátory a motory. Na obrázku je znázorněn tok proudu ve vinutí kotvy pod vlivem magnetického pole statoru. V případě generátoru, když se jeho rotor otáčí vnějšími silami, vzniká EMF ve vinutí rotoru, proud generuje magnetické pole nasměrované v opačném směru (stejné znaménko mínus ve vzorci). Čím více proudu spotřebovává zátěž generátoru, tím větší je toto magnetické pole a tím obtížnější je otáčení.
A naopak - když v rotoru protéká proud, vzniká pole, které interaguje s polem statoru a rotor se začne otáčet. Se zatížením hřídele roste proud ve statoru a v rotoru, přičemž je nutné zajistit spínání vinutí, ale to je další téma související s konstrukcí elektrických strojů.
V srdci činnosti transformátoru je zdrojem pohybujícího se magnetického toku střídavé magnetické pole vznikající tokem střídavého proudu v primárním vinutí.
Pokud si chcete problematiku nastudovat podrobněji, doporučujeme zhlédnout video, které snadno a jednoduše vysvětluje Faradayův zákon pro elektromagnetickou indukci:
Elektrolýza
Kromě výzkumu EMF a elektromagnetické indukce učinil vědec velké objevy v dalších oborech, včetně chemie.
Když proud protéká elektrolytem, začnou k elektrodám proudit ionty (kladné i záporné). Záporné se pohybují směrem k anodě, kladné ke katodě. V tomto případě se na jedné z elektrod uvolní určitá hmota látky, která je obsažena v elektrolytu.
Faraday prováděl experimenty, procházel různými proudy elektrolytem a měřil hmotnost látky usazené na elektrodách, odvodil vzory.
m = k * Q
m je hmotnost látky, q je náboj a k závisí na složení elektrolytu.
A náboj lze vyjádřit proudem za určité časové období:
I = q/t, pak q = i * t
Nyní můžete určit hmotnost látky, která se uvolní, přičemž znáte proud a dobu, po kterou protekla. Toto se nazývá Faradayův první zákon elektrolýzy.
Druhý zákon:
Hmotnost chemického prvku, který se usadí na elektrodě, je přímo úměrná ekvivalentní hmotnosti prvek (molární hmotnost dělená číslem, které závisí na chemické reakci, při které látka).
S ohledem na výše uvedené jsou tyto zákony sloučeny do vzorce:
m je hmotnost látky, která byla uvolněna v gramech, n je počet přenesených elektronů elektrodový proces, F = 986485 C / mol - Faradayovo číslo, t - čas v sekundách, M molární hmotnost látka g/mol.
Ve skutečnosti je z různých důvodů hmotnost emitované látky menší než vypočtená (při výpočtu s ohledem na protékající proud). Poměr teoretické a skutečné hmotnosti se nazývá proudová účinnost:
BT = 100 % * mvyrovnání/ mteor
A nakonec vám doporučujeme prohlédnout si podrobné vysvětlení Faradayova zákona pro elektrolýzu:
Faradayovy zákony významně přispěly k rozvoji moderní vědy, díky jeho práci máme k dispozici elektromotory a generátory elektřiny (a také práci jeho následovníků). Práce EMF a fenomény elektromagnetické indukce nám daly většinu moderního elektrická zařízení včetně reproduktorů a mikrofonů, bez kterých nelze poslouchat nahrávky a hlasová komunikace. Procesy elektrolýzy se používají v metodě galvanického pokovování nátěrových materiálů, která má jak dekorativní, tak praktickou hodnotu.
Související materiály:
- Joule-Lenzův zákon
- Závislost odporu vodiče na teplotě
- Ohmův zákon jednoduchými slovy
