חוק פאראדיי לאינדוקציה אלקטרומגנטית ולאלקטרוליזה

כדי לתאר את התהליכים בפיזיקה ובכימיה, ישנם מספר חוקים ויחסים המתקבלים בניסוי ובחישוב. לא ניתן לבצע ולו מחקר אחד ללא הערכה ראשונית של התהליכים על ידי קשרים תיאורטיים. חוקי פאראדיי מיושמים בפיזיקה ובכימיה, ובמאמר זה ננסה לספר לכם בקצרה וברורה על כל התגליות המפורסמות של המדען הגדול הזה.

היסטוריית גילוי

חוק פאראדיי באלקטרודינמיקה התגלה על ידי שני מדענים: מייקל פאראדיי וג'וזף הנרי, אך פאראדיי פרסם את תוצאות עבודתו מוקדם יותר - ב-1831.

בניסויי ההדגמה שלו באוגוסט 1831. הוא השתמש בטורוס ברזל, שבקצותיו הנגדי היה מלופף חוט (חוט אחד בכל צד). הוא סיפק כוח מסוללה גלוונית לקצוות של אחד החוטים הראשונים, וחיבר גלוונומטר למסופים של השני. העיצוב היה דומה לשנאי מודרני. כשהוא מדליק ומכבה מדי פעם את המתח על החוט הראשון, הוא ראה התפרצויות על הגלוונומטר.

הגלוונומטר הוא מכשיר רגיש במיוחד למדידת עוצמתם של זרמים קטנים.

לפיכך, תוארה השפעת השדה המגנטי שנוצר כתוצאה מזרימת הזרם בחוט הראשון על מצב המוליך השני. פגיעה זו הועברה מהראשון לשני דרך הליבה - טורוס מתכתי. כתוצאה ממחקר התגלתה גם השפעתו של מגנט קבוע שנע בסליל על פיתולו.

ואז פאראדיי הסביר את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית במונחים של קווי כוח. אחר היה מכשיר להפקת זרם ישר: דיסק נחושת הסתובב ליד מגנט, וחוט שגלש לאורכו היה קולט זרם. המצאה זו נקראת דיסק פאראדיי.

מדענים מאותה תקופה לא הכירו ברעיונותיו של פאראדיי, אבל מקסוול לקח את המחקר לבסיס התיאוריה המגנטית שלו. בשנת 1836 ג. מייקל פאראדיי הקים מערכות יחסים לתהליכים אלקטרוכימיים, אשר כונו "חוקי האלקטרוליזה של פאראדיי". הראשון מתאר את היחס בין מסת החומר המשתחרר באלקטרודה לבין הזרם הזורם, והשני היחס בין המסה של חומר בתמיסה ומשתחרר באלקטרודה, בכמות מסוימת חַשְׁמַל.

אלקטרודינמיקה

העבודות הראשונות משמשות בפיזיקה, במיוחד בתיאור הפעולה של מכונות ומכשירים חשמליים (שנאים, מנועים וכו'). חוק פאראדיי קובע:

עבור מעגל, EMF המושרה עומד ביחס ישר לגודל המהירות של השטף המגנטי שנע במעגל זה עם סימן מינוס.

ניתן לומר זאת במילים פשוטות: ככל שהשטף המגנטי עובר מהר יותר במעגל, כך נוצר יותר EMF במסופים שלו.

הנוסחה נראית כך:

כאן dФ הוא השטף המגנטי, ו- dt הוא יחידת זמן. ידוע שנגזרת הפעם הראשונה היא מהירות. כלומר, מהירות התנועה של השטף המגנטי במקרה הספציפי הזה. אגב, מקור השדה המגנטי (סליל עם זרם - אלקטרומגנט, או מגנט קבוע) ומעגל יכולים לנוע.

כאן, ניתן לבטא את הזרימה בנוסחה הבאה:

B הוא השדה המגנטי ו-dS הוא שטח הפנים.

אם ניקח בחשבון סליל עם סיבובים מפותלים בחוזקה, בעוד שבמספר הסיבובים N, אז חוק פאראדיי נראה כך:

שטף מגנטי בנוסחה לסיבוב אחד, נמדד בוובר. הזרם הזורם במעגל נקרא אינדוקטיבי.

אינדוקציה אלקטרומגנטית היא תופעה של זרימת זרם בלולאה סגורה בהשפעת שדה מגנטי חיצוני.

בנוסחאות למעלה אולי שמתם לב לסימני המודול, בלעדיהם יש לו צורה קצת שונה, כמו שנאמר בניסוח הראשון, עם סימן מינוס.

סימן המינוס מסביר את הכלל של לנץ. הזרם הנוצר במעגל יוצר שדה מגנטי, הוא מכוון לכיוון ההפוך. זו תוצאה של חוק שימור האנרגיה.

ניתן לקבוע את כיוון זרם האינדוקציה על ידי כלל יד ימין או גימבל, בדקנו אותו בפירוט באתר האינטרנט שלנו.

כפי שכבר הוזכר, הודות לתופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, מכונות חשמליות, שנאים, גנרטורים ומנועים, פועלות. האיור מציג את זרימת הזרם בפיתול האבזור בהשפעת השדה המגנטי של הסטטור. במקרה של גנרטור, כאשר הרוטור שלו מסתובב בכוחות חיצוניים, נוצר EMF בפיתולי הרוטור, הזרם יוצר שדה מגנטי המכוון לכיוון ההפוך (אותו סימן מינוס בנוסחה). ככל שצורך יותר זרם על ידי עומס הגנרטור, כך השדה המגנטי הזה גדול יותר, וקשה יותר לסובב אותו.

ולהיפך - כאשר זורם זרם ברוטור, נוצר שדה, שמקיים אינטראקציה עם שדה הסטטור והרוטור מתחיל להסתובב. עם עומס על הפיר, הזרם בסטטור וברוטור גדל, בעוד שיש צורך להבטיח מיתוג של הפיתולים, אבל זה נושא נוסף הקשור לתכנון של מכונות חשמליות.

בלב פעולת השנאי, מקור השטף המגנטי הנע הוא שדה מגנטי לסירוגין הנובע מזרימת זרם חילופין בפיתול הראשוני.

אם תרצו ללמוד את הנושא ביתר פירוט, אנו ממליצים לצפות בסרטון, המסביר בקלות ובקלות את חוק פאראדיי לאינדוקציה אלקטרומגנטית:

הַפרָדָה חַשְׁמָלִית

בנוסף למחקר על EMF ואינדוקציה אלקטרומגנטית, המדען גילה תגליות גדולות בדיסציפלינות אחרות, כולל כימיה.

כאשר זרם זורם דרך האלקטרוליט, יונים (חיוביים ושליליים) מתחילים למהר אל האלקטרודות. השליליים נעים לכיוון האנודה, חיוביים לכיוון הקתודה. במקרה זה, מסה מסוימת של חומר משתחררת על אחת האלקטרודות, הכלולה באלקטרוליט.

פאראדיי ערך ניסויים, העביר זרמים שונים דרך האלקטרוליט ומדידת מסת החומר שהופקד על האלקטרודות, הסיקו דפוסים.

m = k * Q

m היא המסה של החומר, q הוא המטען, ו-k תלוי בהרכב האלקטרוליט.

והחיוב יכול להתבטא במונחים של הזרם על פני תקופה של זמן:

I = q/t, לאחר מכן q = i * t

עכשיו אתה יכול לקבוע את מסת החומר שישתחרר, לדעת את הזרם ואת הזמן שבו הוא זרם. זה נקרא חוק האלקטרוליזה הראשון של פאראדיי.

החוק השני:

המסה של יסוד כימי השוקע על האלקטרודה עומדת ביחס ישר למסה המקבילה יסוד (מסה טוחנת חלקי מספר התלוי בתגובה הכימית שבה חומר).

בהתחשב באמור לעיל, חוקים אלה משולבים בנוסחה:

m היא המסה של החומר שהשתחרר בגרמים, n הוא מספר האלקטרונים שהועברו פנימה תהליך אלקטרודה, F = 986485 C/mol - מספר Faraday, t - זמן בשניות, מסה מולרית M חומר g/mol.

במציאות, מסיבות שונות, מסת החומר הנפלט קטנה מזו המחושבת (בעת חישוב תוך התחשבות בזרם הזורם). היחס בין המסה התיאורטית למציאותית נקרא היעילות הנוכחית:

ב_ט = 100% * מ'_הֶסדֵר/ M_אור

ולבסוף, אנו ממליצים לך לראות הסבר מפורט על חוק פאראדיי לאלקטרוליזה:

חוקי פאראדיי תרמו תרומה משמעותית להתפתחות המדע המודרני, הודות לעבודתו, יש לנו מנועים חשמליים ומחוללי חשמל (כמו גם עבודתם של חסידיו). העבודה של EMF ותופעות האינדוקציה האלקטרומגנטית העניקו לנו את רוב המודרני ציוד חשמלי, כולל רמקולים ומיקרופונים, שבלעדיהם אי אפשר להאזין הקלטות ותקשורת קולית. תהליכי אלקטרוליזה משמשים בשיטת הציפוי של חומרי ציפוי, שיש לה ערך דקורטיבי ומעשי כאחד.

חומרים קשורים:

• חוק ג'ול-לנץ
• התלות של ההתנגדות של המוליך בטמפרטורה
• חוק אוהם במילים פשוטות