Zur Beschreibung der Vorgänge in Physik und Chemie gibt es eine Reihe von experimentell und rechnerisch gewonnenen Gesetzen und Zusammenhängen. Ohne eine vorläufige Bewertung der Prozesse durch theoretische Zusammenhänge kann keine einzige Studie durchgeführt werden. Faradaysche Gesetze werden in Physik und Chemie angewendet, und in diesem Artikel werden wir versuchen, Ihnen kurz und klar alle berühmten Entdeckungen dieses großen Wissenschaftlers zu erzählen.
Inhalt:
- Entdeckungsgeschichte
- Elektrodynamik
- Elektrolyse
Entdeckungsgeschichte
Das Faradaysche Gesetz in der Elektrodynamik wurde von zwei Wissenschaftlern entdeckt: Michael Faraday und Joseph Henry, aber Faraday veröffentlichte die Ergebnisse seiner Arbeit früher - im Jahr 1831.
In seinen Demonstrationsversuchen im August 1831. er benutzte einen eisernen Torus, an dessen gegenüberliegenden Enden ein Draht gewickelt war (ein Draht pro Seite). Er versorgte die Enden eines der ersten Drähte mit Strom aus einer galvanischen Batterie und schloss ein Galvanometer an die Klemmen des zweiten an. Das Design ähnelte einem modernen Transformator. Er schaltete regelmäßig die Spannung am ersten Draht ein und aus und beobachtete Ausbrüche auf dem Galvanometer.
Das Galvanometer ist ein hochempfindliches Instrument zur Messung der Stärke kleiner Ströme.
So wurde der Einfluss des durch den Stromfluss im ersten Draht gebildeten Magnetfeldes auf den Zustand des zweiten Leiters abgebildet. Dieser Aufprall wurde vom ersten auf den zweiten durch den Kern - einen Metalltorus - übertragen. Als Ergebnis der Forschung wurde auch der Einfluss eines sich in der Spule bewegenden Permanentmagneten auf deren Wicklung entdeckt.
Dann erklärte Faraday das Phänomen der elektromagnetischen Induktion anhand von Kraftlinien. Eine andere war ein Gerät zur Erzeugung von Gleichstrom: Eine Kupferscheibe drehte sich in der Nähe eines Magneten, und ein daran entlanggleitender Draht war ein Stromabnehmer. Diese Erfindung wird als Faradaysche Scheibe bezeichnet.
Wissenschaftler dieser Zeit erkannten Faradays Ideen nicht an, aber Maxwell nahm die Forschungen zur Grundlage seiner magnetischen Theorie. 1836 gr. Michael Faraday stellte Zusammenhänge für elektrochemische Prozesse her, die als Faradaysche Elektrolysegesetze bezeichnet wurden. Die erste beschreibt das Verhältnis der Masse des an der Elektrode freigesetzten Stoffes zum fließenden Strom, die zweite das Verhältnis der Masse eines gelösten und an der Elektrode freigesetzten Stoffes für eine bestimmte Menge Elektrizität.
Elektrodynamik
Die ersten Arbeiten werden in der Physik verwendet, insbesondere in der Beschreibung der Funktionsweise elektrischer Maschinen und Geräte (Transformatoren, Motoren usw.). Das Faradaysche Gesetz besagt:
Für einen Stromkreis ist die induzierte EMK direkt proportional zur Größe der Geschwindigkeit des Magnetflusses, der sich mit einem Minuszeichen durch diesen Stromkreis bewegt.
Dies kann in einfachen Worten gesagt werden: Je schneller sich der magnetische Fluss durch den Stromkreis bewegt, desto mehr EMK wird an seinen Anschlüssen erzeugt.
Die Formel sieht so aus:
Dabei ist dФ der magnetische Fluss und dt eine Zeiteinheit. Es ist bekannt, dass die erste zeitliche Ableitung die Geschwindigkeit ist. Das heißt, die Bewegungsgeschwindigkeit des Magnetflusses in diesem speziellen Fall. Übrigens können sich die Quelle eines Magnetfelds (eine Spule mit Strom - ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet) und ein Stromkreis bewegen.
Hier kann der Fluss durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
B ist das Magnetfeld und dS ist die Oberfläche.
Betrachten wir eine Spule mit eng gewickelten Windungen, während die Anzahl der Windungen N beträgt, dann sieht das Faradaysche Gesetz wie folgt aus:
Magnetischer Fluss in der Formel für eine Umdrehung, gemessen in Weber. Der im Stromkreis fließende Strom wird als induktiv bezeichnet.
Elektromagnetische Induktion ist das Phänomen des Stromflusses in einer geschlossenen Schleife unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds.
In den obigen Formeln haben Sie vielleicht die Vorzeichen des Moduls bemerkt, ohne sie hat es eine etwas andere Form, wie es in der ersten Formulierung mit einem Minuszeichen gesagt wurde.
Das Minuszeichen erklärt die Lenzsche Regel. Der im Stromkreis entstehende Strom erzeugt ein Magnetfeld, es ist in die entgegengesetzte Richtung gerichtet. Dies ist eine Folge des Energieerhaltungssatzes.
Die Richtung des Induktionsstroms kann durch die Rechte-Hand-Regel bestimmt werden oder kardanisch, haben wir es auf unserer Website ausführlich untersucht.
Wie bereits erwähnt, funktionieren dank des Phänomens der elektromagnetischen Induktion elektrische Maschinen, Transformatoren, Generatoren und Motoren. Die Abbildung zeigt den Stromfluss in der Ankerwicklung unter Einfluss des Statormagnetfeldes. Bei einem Generator, wenn sich sein Rotor durch äußere Kräfte dreht, entsteht eine EMF in den Rotorwicklungen, der Strom erzeugt ein in die entgegengesetzte Richtung gerichtetes Magnetfeld (das gleiche Minuszeichen in der Formel). Je mehr Strom die Generatorlast verbraucht, desto größer ist dieses Magnetfeld und desto schwieriger ist es zu drehen.
Und umgekehrt - wenn im Rotor Strom fließt, entsteht ein Feld, das mit dem Statorfeld wechselwirkt und der Rotor beginnt sich zu drehen. Bei Belastung der Welle erhöht sich der Strom im Stator und im Rotor, während das Schalten der Wicklungen sichergestellt werden muss, aber dies ist ein weiteres Thema im Zusammenhang mit der Auslegung elektrischer Maschinen.
Im Kern des Transformatorbetriebs ist die Quelle eines sich bewegenden magnetischen Flusses ein magnetisches Wechselfeld, das aus dem Wechselstromfluss in der Primärwicklung entsteht.
Wenn Sie das Thema genauer untersuchen möchten, empfehlen wir das Anschauen des Videos, das das Faradaysche Gesetz für elektromagnetische Induktion einfach und einfach erklärt:
Elektrolyse
Neben der Forschung zu EMF und elektromagnetischer Induktion machte der Wissenschaftler auch in anderen Disziplinen, darunter der Chemie, große Entdeckungen.
Wenn Strom durch den Elektrolyten fließt, beginnen Ionen (positiv und negativ) zu den Elektroden zu strömen. Negative wandern zur Anode, positive zur Kathode. Dabei wird an einer der Elektroden eine bestimmte Masse einer Substanz freigesetzt, die im Elektrolyten enthalten ist.
Faraday führte Experimente durch, bei denen verschiedene Ströme durch den Elektrolyten geleitet und die Masse der auf den Elektroden abgelagerten Substanz gemessen wurden, um Muster abzuleiten.
m = k * Q
m ist die Masse des Stoffes, q ist die Ladung und k hängt von der Zusammensetzung des Elektrolyten ab.
Und die Ladung kann als Strom über einen bestimmten Zeitraum ausgedrückt werden:
ich = q / t, dann q = ich * t
Jetzt können Sie die Masse der freigesetzten Substanz bestimmen, indem Sie den Strom und die Zeit, die er geflossen ist, kennen. Dies wird als erstes Faradaysches Elektrolysegesetz bezeichnet.
Zweites Gesetz:
Die Masse eines chemischen Elements, das sich auf der Elektrode absetzt, ist direkt proportional zur Äquivalentmasse Element (Molmasse dividiert durch eine Zahl, die von der chemischen Reaktion abhängt, bei der Substanz).
Unter Berücksichtigung des Obigen werden diese Gesetze in der Formel zusammengefasst:
m ist die Masse des freigesetzten Stoffes in Gramm, n ist die Anzahl der übertragenen Elektronen in Elektrodenprozess, F = 986485 C / mol - Faraday-Zahl, t - Zeit in Sekunden, M Molmasse Substanz g / mol.
In Wirklichkeit ist die Masse des emittierten Stoffes aus verschiedenen Gründen geringer als die berechnete (bei der Berechnung unter Berücksichtigung des fließenden Stroms). Das Verhältnis der theoretischen und realen Massen wird als Stromwirkungsgrad bezeichnet:
BT = 100% * mSiedlung/ mtheorie
Zum Schluss empfehlen wir Ihnen, eine ausführliche Erläuterung des Faradayschen Gesetzes für die Elektrolyse zu lesen:
Faradays Gesetze leisteten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der modernen Wissenschaft, dank seiner Arbeit haben wir Elektromotoren und Stromgeneratoren (sowie die Arbeit seiner Anhänger). Die Arbeit der EMF und die Phänomene der elektromagnetischen Induktion gaben uns die meisten modernen elektrische Geräte, einschließlich Lautsprecher und Mikrofone, ohne die kein Hören möglich ist Aufnahmen und Sprachkommunikation. Elektrolyseverfahren werden bei der Galvanisierung von Beschichtungsstoffen eingesetzt, die sowohl dekorativen als auch praktischen Wert hat.
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