Pentru a descrie procesele din fizică și chimie, există o serie de legi și relații obținute experimental și prin calcul. Nici un singur studiu nu poate fi efectuat fără o evaluare preliminară a proceselor prin relații teoretice. Legile lui Faraday sunt aplicate în fizică și chimie, iar în acest articol vom încerca să vă spunem pe scurt și clar despre toate descoperirile celebre ale acestui mare om de știință.
Conţinut:
- Istoria descoperirilor
- Electrodinamică
- Electroliză
Istoria descoperirilor
Legea lui Faraday în electrodinamică a fost descoperită de doi oameni de știință: Michael Faraday și Joseph Henry, dar Faraday a publicat rezultatele lucrării sale mai devreme - în 1831.
În experimentele sale demonstrative din august 1831. a folosit un tor de fier, la capetele opuse ale căruia era înfășurat un fir (un fir pe latură). El a furnizat energie de la o baterie galvanică la capetele unuia dintre primele fire și a conectat un galvanometru la bornele celui de-al doilea. Designul a fost similar cu un transformator modern. Pornind și oprind periodic tensiunea de pe primul fir, a observat explozii la galvanometru.
Galvanometrul este un instrument extrem de sensibil pentru măsurarea puterii curenților mici.
Astfel, a fost descrisă influența câmpului magnetic format ca urmare a fluxului de curent în primul fir asupra stării celui de-al doilea conductor. Acest impact a fost transmis de la primul la al doilea prin miez - un tor metalic. În urma cercetărilor, a fost descoperită și influența unui magnet permanent care se mișcă în bobină asupra înfășurării acestuia.
Apoi Faraday a explicat fenomenul inducției electromagnetice în termeni de linii de forță. Un altul era un dispozitiv pentru generarea de curent continuu: un disc de cupru se rotește lângă un magnet, iar un fir care aluneca de-a lungul lui era un colector de curent. Această invenție se numește disc Faraday.
Oamenii de știință din acea perioadă nu au recunoscut ideile lui Faraday, dar Maxwell a luat cercetarea la baza teoriei sale magnetice. În 1836 g. Michael Faraday a stabilit relații pentru procesele electrochimice, care au fost numite Legile lui Faraday ale electrolizei. Primul descrie raportul dintre masa substanței eliberate la electrod și curentul care curge, iar al doilea raportul dintre masa unei substanțe în soluție și eliberată la electrod, pentru o anumită cantitate electricitate.
Electrodinamică
Primele lucrări sunt folosite în fizică, în special în descrierea funcționării mașinilor și dispozitivelor electrice (transformatoare, motoare etc.). Legea lui Faraday spune:
Pentru un circuit, EMF indus este direct proporțional cu mărimea vitezei fluxului magnetic care se deplasează prin acest circuit cu semnul minus.
Acest lucru poate fi spus în cuvinte simple: cu cât fluxul magnetic se mișcă mai repede prin circuit, cu atât se generează mai mult EMF la bornele sale.
Formula arată astfel:
Aici dФ este fluxul magnetic, iar dt este o unitate de timp. Se știe că prima derivată de timp este viteza. Adică viteza de mișcare a fluxului magnetic în acest caz particular. Apropo, sursa unui câmp magnetic (o bobină cu curent - un electromagnet sau un magnet permanent) și un circuit se pot mișca.
Aici, fluxul poate fi exprimat prin următoarea formulă:
B este câmpul magnetic și dS este aria suprafeței.
Dacă luăm în considerare o bobină cu spire înfăşurate strâns, în timp ce în numărul de spire N, atunci legea lui Faraday arată după cum urmează:
Fluxul magnetic în formula pentru o tură, măsurat în Weber. Curentul care circulă în circuit se numește inductiv.
Inducția electromagnetică este fenomenul de curgere a curentului într-o buclă închisă sub influența unui câmp magnetic extern.
În formulele de mai sus, poate ați observat semnele modulului, fără ele are o formă puțin diferită, așa cum se spunea în prima formulare, cu semnul minus.
Semnul minus explică regula lui Lenz. Curentul care iese în circuit creează un câmp magnetic, acesta este direcționat în sens opus. Aceasta este o consecință a legii conservării energiei.
Direcția curentului de inducție poate fi determinată de regula mâinii drepte sau gimbal, l-am examinat în detaliu pe site-ul nostru.
După cum am menționat deja, datorită fenomenului de inducție electromagnetică, mașinile electrice, transformatoarele, generatoarele și motoarele funcționează. Ilustrația arată fluxul de curent în înfășurarea armăturii sub influența câmpului magnetic al statorului. În cazul unui generator, când rotorul acestuia se rotește prin forțe externe, în înfășurările rotorului ia naștere un EMF, curentul generează un câmp magnetic îndreptat în sens opus (același semn minus în formulă). Cu cât este mai mult curent consumat de sarcina generatorului, cu atât este mai mare acest câmp magnetic și cu atât este mai dificil să se rotească.
Și invers - atunci când curentul curge în rotor, apare un câmp, care interacționează cu câmpul statorului și rotorul începe să se rotească. Cu o sarcină pe arbore, curentul în stator și în rotor crește, în timp ce este necesar să se asigure comutarea înfășurărilor, dar acesta este un alt subiect legat de proiectarea mașinilor electrice.
În centrul funcționării transformatorului, sursa unui flux magnetic în mișcare este un câmp magnetic alternativ care decurge din fluxul de curent alternativ în înfășurarea primară.
Dacă doriți să studiați problema mai detaliat, vă recomandăm să vizionați videoclipul, care explică ușor și ușor legea lui Faraday pentru inducția electromagnetică:
Electroliză
Pe lângă cercetările privind EMF și inducția electromagnetică, omul de știință a făcut mari descoperiri în alte discipline, inclusiv în chimie.
Când curentul trece prin electrolit, ionii (pozitivi și negativi) încep să se grăbească către electrozi. Cele negative se deplasează spre anod, pozitive către catod. În acest caz, o anumită masă a unei substanțe este eliberată pe unul dintre electrozi, care este conținut în electrolit.
Faraday a efectuat experimente, trecând diferiți curenți prin electrolit și măsurând masa substanței depuse pe electrozi, a dedus modele.
m = k * Q
m este masa substanței, q este sarcina și k depinde de compoziția electrolitului.
Iar sarcina poate fi exprimată în termeni de curent într-o perioadă de timp:
I = q/t, atunci q = i * t
Acum puteți determina masa substanței care va fi eliberată, cunoscând curentul și timpul în care a trecut. Aceasta se numește prima lege a electrolizei a lui Faraday.
A doua lege:
Masa unui element chimic care se depune pe electrod este direct proporțională cu masa echivalentă element (masa molară împărțită la un număr care depinde de reacția chimică în care substanţă).
Având în vedere cele de mai sus, aceste legi sunt combinate în formula:
m este masa substanței care a fost eliberată în grame, n este numărul de electroni transferați în proces electrod, F = 986485 C / mol - număr Faraday, t - timp în secunde, masa molară M substanță g/mol.
În realitate, din diverse motive, masa substanței emise este mai mică decât cea calculată (la calcul ținând cont de curentul care curge). Raportul dintre masele teoretice și reale se numește eficiență curentă:
BT = 100% * maşezare/ mteor
Și, în sfârșit, vă recomandăm să vedeți o explicație detaliată a legii lui Faraday pentru electroliză:
Legile lui Faraday au adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea științei moderne, datorită muncii sale, avem motoare electrice și generatoare de electricitate (precum și munca adepților săi). Lucrarea EMF și fenomenele de inducție electromagnetică ne-au oferit majoritatea modernului echipamente electrice, inclusiv difuzoare și microfoane, fără de care este imposibil de ascultat înregistrări și comunicații vocale. Procesele de electroliză sunt utilizate în metoda de galvanizare a materialelor de acoperire, care are valoare atât decorativă, cât și practică.
Materiale conexe:
- Legea Joule-Lenz
- Dependența rezistenței conductorului de temperatură
- Legea lui Ohm în cuvinte simple
