Fizikos ir chemijos procesams apibūdinti yra keletas dėsnių ir ryšių, gautų eksperimentiniu ir skaičiavimu. Nei vienas tyrimas negali būti atliktas be išankstinio procesų įvertinimo teoriniais ryšiais. Faradėjaus dėsniai taikomi fizikoje ir chemijoje, o šiame straipsnyje pabandysime trumpai ir aiškiai papasakoti apie visus garsius šio didžio mokslininko atradimus.
Turinys:
- Atradimų istorija
- Elektrodinamika
- Elektrolizė
Atradimų istorija
Faradėjaus dėsnį elektrodinamikoje atrado du mokslininkai: Michaelas Faradėjus ir Džozefas Henris, tačiau savo darbo rezultatus Faradėjus paskelbė anksčiau – 1831 m.
Savo demonstraciniuose eksperimentuose 1831 m. rugpjūčio mėn. jis panaudojo geležinį torą, kurio priešinguose galuose buvo suvyniota viela (po vieną laidą kiekvienoje pusėje). Jis tiekė maitinimą iš galvaninės baterijos į vieno iš pirmųjų laidų galus, o prie antrojo gnybtų prijungė galvanometrą. Dizainas buvo panašus į šiuolaikinį transformatorių. Periodiškai įjungdamas ir išjungdamas pirmojo laido įtampą, jis pastebėjo galvanometro sprogimus.
Galvanometras yra labai jautrus prietaisas mažų srovių stiprumui matuoti.
Taigi buvo pavaizduotas magnetinio lauko, susidariusio dėl srovės srauto pirmajame laide, poveikis antrojo laidininko būklei. Šis smūgis iš pirmojo į antrąjį buvo perduotas per šerdį – metalinį torą. Atlikus tyrimus buvo atrasta ir nuolatinio magneto, judančio ritėje, įtaka jos apvijai.
Tada Faradėjus paaiškino elektromagnetinės indukcijos reiškinį jėgos linijomis. Kitas buvo nuolatinės srovės generavimo įrenginys: šalia magneto sukosi varinis diskas, o juo slystantis laidas buvo srovės kolektorius. Šis išradimas vadinamas Faradėjaus disku.
To laikotarpio mokslininkai Faradėjaus idėjų nepripažino, tačiau Maxwellas tyrinėjo savo magnetinę teoriją. 1836 m. Michaelas Faradėjus nustatė ryšius su elektrocheminiais procesais, kurie buvo vadinami Faradėjaus elektrolizės dėsniais. Pirmajame aprašomas prie elektrodo išsiskiriančios medžiagos masės ir tekančios srovės santykis, o antrasis tirpale esančios ir prie elektrodo išsiskiriančios medžiagos masės santykis tam tikram kiekiui elektros.
Elektrodinamika
Pirmieji darbai naudojami fizikoje, konkrečiai – elektros mašinų ir prietaisų (transformatorių, variklių ir kt.) veikimo aprašyme. Faradėjaus įstatymas teigia:
Grandinei sukeltas EML yra tiesiogiai proporcingas magnetinio srauto, judančio per šią grandinę su minuso ženklu, greičio dydžiui.
Tai galima pasakyti paprastais žodžiais: kuo greičiau magnetinis srautas juda per grandinę, tuo daugiau EMF susidaro jos gnybtuose.
Formulė atrodo taip:
Čia dФ yra magnetinis srautas, o dt yra laiko vienetas. Yra žinoma, kad pirmą kartą išvestinė yra greitis. Tai yra magnetinio srauto judėjimo greitis šiuo konkrečiu atveju. Beje, gali judėti magnetinio lauko šaltinis (ritė su srove – elektromagnetas, arba nuolatinis magnetas) ir grandinė.
Čia srautas gali būti išreikštas tokia formule:
B yra magnetinis laukas, o dS yra paviršiaus plotas.
Jei apsvarstysime ritę su sandariai suvyniotais posūkiais, o posūkių skaičiumi N, tada Faradėjaus dėsnis atrodo taip:
Magnetinis srautas formulėje vienam apsisukimui, matuojamas Weber. Srovė, tekanti grandinėje, vadinama indukcine.
Elektromagnetinė indukcija yra srovės tekėjimo uždaroje grandinėje reiškinys, veikiamas išorinio magnetinio lauko.
Aukščiau pateiktose formulėse galbūt pastebėjote modulio ženklus, be jų jis turi šiek tiek kitokią formą, kaip buvo pasakyta pirmoje formuluotėje, su minuso ženklu.
Minuso ženklas paaiškina Lenzo taisyklę. Srovė, atsirandanti grandinėje, sukuria magnetinį lauką, ji nukreipta priešinga kryptimi. Tai yra energijos tvermės dėsnio pasekmė.
Indukcinės srovės kryptį galima nustatyti pagal dešinės rankos taisyklę arba gimbalas, mes jį išsamiai išnagrinėjome savo svetainėje.
Kaip jau minėta, elektromagnetinės indukcijos reiškinio dėka veikia elektros mašinos, transformatoriai, generatoriai ir varikliai. Iliustracija rodo srovės srautą armatūros apvijoje, veikiant statoriaus magnetiniam laukui. Generatoriaus atveju, kai jo rotorius sukasi veikiant išorinėms jėgoms, rotoriaus apvijose atsiranda EML, srovė generuoja magnetinį lauką, nukreiptą priešinga kryptimi (tas pats minuso ženklas formulėje). Kuo daugiau srovės sunaudoja generatoriaus apkrova, tuo didesnis šis magnetinis laukas ir tuo sunkiau suktis.
Ir atvirkščiai – srovei tekant rotoriuje atsiranda laukas, kuris sąveikauja su statoriaus lauku ir rotorius pradeda suktis. Esant apkrovai velenui, didėja srovė statoriuje ir rotoriuje, tuo tarpu būtina užtikrinti apvijų perjungimą, tačiau tai yra dar viena tema, susijusi su elektros mašinų projektavimu.
Transformatoriaus veikimo centre judančio magnetinio srauto šaltinis yra kintamasis magnetinis laukas, atsirandantis dėl kintamosios srovės srauto pirminėje apvijoje.
Jei norite išsamiau išnagrinėti problemą, rekomenduojame žiūrėti vaizdo įrašą, kuriame lengvai ir lengvai paaiškinamas Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos įstatymas:
Elektrolizė
Be EML ir elektromagnetinės indukcijos tyrimų, mokslininkas padarė puikių atradimų kitose disciplinose, įskaitant chemiją.
Kai srovė teka per elektrolitą, jonai (teigiami ir neigiami) pradeda skubėti į elektrodus. Neigiami juda link anodo, teigiami link katodo. Tokiu atveju ant vieno iš elektrodų išsiskiria tam tikra medžiagos masė, kuri yra elektrolite.
Faradėjus atliko eksperimentus, leisdamas įvairias sroves per elektrolitą ir matuodamas ant elektrodų nusėdusios medžiagos masę, išvedė modelius.
m = k * Q
m yra medžiagos masė, q yra krūvis, o k priklauso nuo elektrolito sudėties.
Ir mokestis gali būti išreikštas srove per tam tikrą laikotarpį:
I = q / t, tada q = i * t
Dabar galite nustatyti išsiskiriančios medžiagos masę, žinodami srovę ir jos tekėjimo laiką. Tai vadinama pirmuoju Faradėjaus elektrolizės įstatymu.
Antrasis įstatymas:
Ant elektrodo nusėdančio cheminio elemento masė yra tiesiogiai proporcinga ekvivalentinei masei elementas (molinė masė, padalinta iš skaičiaus, kuris priklauso nuo cheminės reakcijos, kurioje medžiaga).
Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta pirmiau, šie dėsniai sujungiami į formulę:
m yra išsiskyrusios medžiagos masė gramais, n yra perduotų elektronų skaičius elektrodo procesas, F = 986485 C / mol - Faradėjaus skaičius, t - laikas sekundėmis, M molinė masė medžiagos g/mol.
Realiai dėl įvairių priežasčių išsiskiriančios medžiagos masė yra mažesnė už apskaičiuotąją (skaičiuojant atsižvelgiant į tekančią srovę). Teorinės ir realios masės santykis vadinamas srovės efektyvumu:
BT = 100 % * matsiskaitymas/ mteorija
Galiausiai rekomenduojame peržiūrėti išsamų Faradėjaus dėsnio elektrolizės paaiškinimą:
Faradėjaus dėsniai reikšmingai prisidėjo prie šiuolaikinio mokslo raidos, jo darbo dėka mes turime elektros variklius ir elektros generatorius (taip pat ir jo pasekėjų darbus). EML darbas ir elektromagnetinės indukcijos reiškiniai suteikė mums daugumą šiuolaikinių elektros įranga, įskaitant garsiakalbius ir mikrofonus, be kurių neįmanoma klausytis įrašai ir balso ryšys. Elektrolizės procesai naudojami dengimo medžiagų galvanizavimo metodu, kuris turi ir dekoratyvinę, ir praktinę vertę.
Susijusios medžiagos:
- Džaulio-Lenco dėsnis
- Laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros
- Omo dėsnis paprastais žodžiais
