Na opis procesov vo fyzike a chémii existuje množstvo zákonov a vzťahov získaných experimentálne a výpočtom. Ani jedna štúdia sa nedá uskutočniť bez predbežného posúdenia procesov teoretickými vzťahmi. Faradayove zákony sa uplatňujú vo fyzike a chémii a v tomto článku sa vám pokúsime stručne a jasne povedať o všetkých slávnych objavoch tohto veľkého vedca.
Obsah:
- História objavov
- Elektrodynamika
- Elektrolýza
História objavov
Faradayov zákon v elektrodynamike objavili dvaja vedci: Michael Faraday a Joseph Henry, ale Faraday publikoval výsledky svojej práce už skôr - v roku 1831.
Vo svojich demonštračných experimentoch v auguste 1831. používal železný torus, na ktorého opačných koncoch bol navinutý drôt (jeden drôt na každú stranu). Na konce jedného z prvých vodičov napájal energiu z galvanickej batérie a na svorky druhého vodiča pripojil galvanometer. Dizajn bol podobný modernému transformátoru. Pravidelne zapínal a vypínal napätie na prvom drôte a na galvanometri pozoroval výbuchy.
Galvanometer je vysoko citlivý prístroj na meranie sily malých prúdov.
Takto bol znázornený vplyv magnetického poľa vytvoreného v dôsledku toku prúdu v prvom vodiči na stav druhého vodiča. Tento náraz sa prenášal z prvého na druhý cez jadro – kovový torus. Výsledkom výskumu bol tiež objavený vplyv permanentného magnetu, ktorý sa pohybuje v cievke na jej vinutie.
Potom Faraday vysvetlil fenomén elektromagnetickej indukcie pomocou siločiar. Ďalším bolo zariadenie na generovanie jednosmerného prúdu: medený kotúč sa otáčal v blízkosti magnetu a drôt, ktorý sa po ňom posúval, bol zberačom prúdu. Tento vynález sa nazýva Faradayov disk.
Vedci toho obdobia neuznávali Faradayove myšlienky, ale Maxwell vzal výskum na základ svojej magnetickej teórie. V roku 1836 g. Michael Faraday vytvoril vzťahy pre elektrochemické procesy, ktoré sa nazývali Faradayove zákony elektrolýzy. Prvý popisuje pomer hmotnosti látky uvoľnenej na elektróde a pretekajúceho prúdu a druhý pomer hmotnosti látky v roztoku a uvoľnenej na elektróde pre určité množstvo elektriny.
Elektrodynamika
Prvé práce sa využívajú vo fyzike, konkrétne pri popise činnosti elektrických strojov a zariadení (transformátorov, motorov a pod.). Faradayov zákon hovorí:
Pre obvod je indukované EMF priamo úmerné veľkosti rýchlosti magnetického toku, ktorý sa pohybuje týmto obvodom so znamienkom mínus.
Dá sa to povedať jednoduchými slovami: čím rýchlejšie sa magnetický tok pohybuje obvodom, tým viac EMF sa generuje na jeho svorkách.
Vzorec vyzerá takto:
Tu dФ je magnetický tok a dt je jednotka času. Je známe, že prvou časovou deriváciou je rýchlosť. Teda rýchlosť pohybu magnetického toku v tomto konkrétnom prípade. Mimochodom, zdroj magnetického poľa (cievka s prúdom - elektromagnet, alebo permanentný magnet) a obvod sa môžu pohybovať.
Tu môže byť tok vyjadrený nasledujúcim vzorcom:
B je magnetické pole a dS je plocha povrchu.
Ak vezmeme do úvahy cievku s tesne navinutými závitmi s počtom závitov N, potom Faradayov zákon vyzerá takto:
Magnetický tok vo vzorci na jednu otáčku, meraný vo Weberovi. Prúd pretekajúci obvodom sa nazýva indukčný.
Elektromagnetická indukcia je jav toku prúdu v uzavretej slučke pod vplyvom vonkajšieho magnetického poľa.
Vo vzorcoch vyššie ste si mohli všimnúť znaky modulu, bez nich má trochu inú podobu, ako bolo povedané v prvej formulácii, so znamienkom mínus.
Znamienko mínus vysvetľuje Lenzovo pravidlo. Prúd vznikajúci v obvode vytvára magnetické pole, smeruje opačným smerom. Je to dôsledok zákona zachovania energie.
Smer indukčného prúdu možno určiť pravidlom pravej ruky resp gimbal, sme to podrobne preskúmali na našej webovej stránke.
Ako už bolo spomenuté, vďaka fenoménu elektromagnetickej indukcie fungujú elektrické stroje, transformátory, generátory a motory. Na obrázku je znázornený tok prúdu vo vinutí kotvy pod vplyvom magnetického poľa statora. V prípade generátora, keď sa jeho rotor otáča vonkajšími silami, vo vinutiach rotora vzniká EMF, prúd vytvára magnetické pole nasmerované v opačnom smere (rovnaké znamienko mínus vo vzorci). Čím viac prúdu spotrebuje záťaž generátora, tým väčšie je toto magnetické pole a tým ťažšie sa otáča.
A naopak - keď prúdi prúd v rotore, vzniká pole, ktoré interaguje s poľom statora a rotor sa začne otáčať. Pri zaťažení hriadeľa sa zvyšuje prúd v statore a v rotore, pričom je potrebné zabezpečiť spínanie vinutí, ale to je už iná téma týkajúca sa konštrukcie elektrických strojov.
V srdci činnosti transformátora je zdrojom pohybujúceho sa magnetického toku striedavé magnetické pole vznikajúce pri toku striedavého prúdu v primárnom vinutí.
Ak si chcete problematiku naštudovať podrobnejšie, odporúčame pozrieť si video, ktoré jednoducho a jednoducho vysvetľuje Faradayov zákon pre elektromagnetickú indukciu:
Elektrolýza
Vedec okrem výskumu EMF a elektromagnetickej indukcie urobil veľké objavy aj v iných disciplínach vrátane chémie.
Keď prúd preteká elektrolytom, ióny (pozitívne a negatívne) sa začnú ponáhľať k elektródam. Negatívne sa pohybujú smerom k anóde, kladné smerom ku katóde. V tomto prípade sa na jednej z elektród uvoľňuje určitá hmotnosť látky, ktorá je obsiahnutá v elektrolyte.
Faraday uskutočnil experimenty, pri ktorých prechádzal elektrolytom rôzne prúdy a meral hmotnosť látky uloženej na elektródach, odvodil vzory.
m = k* Q
m je hmotnosť látky, q je náboj a k závisí od zloženia elektrolytu.
A poplatok môže byť vyjadrený ako prúd za určité časové obdobie:
I = q/t, potom q = i * t
Teraz môžete určiť hmotnosť látky, ktorá sa uvoľní, pričom poznáte prúd a čas, počas ktorého pretiekla. Toto sa nazýva Faradayov prvý zákon elektrolýzy.
Druhý zákon:
Hmotnosť chemického prvku, ktorý sa usadí na elektróde, je priamo úmerná ekvivalentnej hmotnosti prvok (mólová hmotnosť delená číslom, ktoré závisí od chemickej reakcie, pri ktorej látka).
Vzhľadom na vyššie uvedené sú tieto zákony spojené do vzorca:
m je hmotnosť látky, ktorá sa uvoľnila v gramoch, n je počet prenesených elektrónov elektródový proces, F = 986485 C / mol - Faradayovo číslo, t - čas v sekundách, M molárna hmotnosť látka g/mol.
V skutočnosti je z rôznych dôvodov hmotnosť emitovanej látky menšia ako vypočítaná (pri výpočte s prihliadnutím na pretekajúci prúd). Pomer teoretickej a reálnej hmotnosti sa nazýva aktuálna účinnosť:
BT = 100 % * mvyrovnanie/ mteória
A nakoniec vám odporúčame pozrieť si podrobné vysvetlenie Faradayovho zákona pre elektrolýzu:
Faradayove zákony výrazne prispeli k rozvoju modernej vedy, vďaka jeho práci máme k dispozícii elektromotory a generátory elektriny (ako aj prácu jeho nasledovníkov). Práca EMF a javy elektromagnetickej indukcie nám dali väčšinu moderného elektrické zariadenia vrátane reproduktorov a mikrofónov, bez ktorých nie je možné počúvať nahrávok a hlasovej komunikácie. Procesy elektrolýzy sa používajú pri metóde elektrolytického pokovovania náterových materiálov, ktorá má dekoratívnu aj praktickú hodnotu.
Súvisiace materiály:
- Joule-Lenzov zákon
- Závislosť odporu vodiča od teploty
- Ohmov zákon jednoduchými slovami
