Za opis procesov v fiziki in kemiji obstajajo številni zakoni in razmerja, pridobljena eksperimentalno in z izračunom. Nobene študije ni mogoče izvesti brez predhodne ocene procesov s teoretičnimi razmerji. Faradayevi zakoni se uporabljajo v fiziki in kemiji, v tem članku pa vam bomo poskušali na kratko in jasno povedati o vseh slavnih odkritjih tega velikega znanstvenika.
Vsebina:
- Zgodovina odkritij
- Elektrodinamika
- Elektroliza
Zgodovina odkritij
Faradayev zakon v elektrodinamiki sta odkrila dva znanstvenika: Michael Faraday in Joseph Henry, vendar je Faraday objavil rezultate svojega dela že prej - leta 1831.
V svojih demonstracijskih poskusih avgusta 1831. uporabil je železen torus, na nasprotnih koncih katerega je bila navita žica (ena žica na stran). Na konce ene od prvih žic je napajal napajanje iz galvanske baterije, na sponke druge pa priključil galvanometer. Zasnova je bila podobna sodobnemu transformatorju. Občasno je vklapljal in izklapljal napetost na prvi žici, je opazil izbruhe na galvanometru.
Galvanometer je zelo občutljiv instrument za merjenje jakosti majhnih tokov.
Tako je bil prikazan vpliv magnetnega polja, ki nastane kot posledica toka v prvi žici na stanje drugega prevodnika. Ta udar se je prenašal s prvega na drugega skozi jedro - kovinski torus. Kot rezultat raziskav so odkrili tudi vpliv trajnega magneta, ki se premika v tuljavi, na njeno navitje.
Nato je Faraday razložil pojav elektromagnetne indukcije v obliki silnic. Druga je bila naprava za ustvarjanje enosmernega toka: bakren disk se je vrtel v bližini magneta, žica, ki drsi po njem, pa je bila zbiralnik toka. Ta izum se imenuje Faradayev disk.
Znanstveniki tistega obdobja niso prepoznali Faradayevih idej, Maxwell pa je raziskavo vzel v osnovo svoje magnetne teorije. Leta 1836 g. Michael Faraday je vzpostavil razmerja za elektrokemične procese, ki so se imenovali Faradayjevi zakoni elektrolize. Prvi opisuje razmerje med maso snovi, ki se sprosti na elektrodi, in tekočim tokom, drugi pa razmerje med maso snovi v raztopini in sproščene na elektrodi, za določeno količino elektrika.
Elektrodinamika
Prva dela se uporabljajo v fiziki, natančneje pri opisu delovanja električnih strojev in naprav (transformatorji, motorji itd.). Faradayev zakon pravi:
Za vezje je inducirana EMF neposredno sorazmerna z velikostjo hitrosti magnetnega toka, ki se premika skozi to vezje z znakom minus.
To lahko rečemo s preprostimi besedami: hitreje kot se magnetni tok premika skozi vezje, več EMF se ustvari na njegovih sponkah.
Formula izgleda takole:
Tukaj je dФ magnetni tok, dt pa enota časa. Znano je, da je prva časovna izpeljanka hitrost. To je hitrost gibanja magnetnega toka v tem konkretnem primeru. Mimogrede, vir magnetnega polja (tuljava s tokom - elektromagnet ali trajni magnet) in vezje se lahko premikata.
Tukaj lahko tok izrazimo z naslednjo formulo:
B je magnetno polje in dS površina.
Če upoštevamo tuljavo s tesno navitimi zavoji, s številom zavojev N, potem Faradayev zakon izgleda takole:
Magnetni tok v formuli za en obrat, merjen v Webru. Tok, ki teče v vezju, se imenuje induktivni.
Elektromagnetna indukcija je pojav toka v zaprti zanki pod vplivom zunanjega magnetnega polja.
V zgornjih formulah ste morda opazili znake modula, brez njih ima nekoliko drugačno obliko, kot je bilo rečeno v prvi formulaciji, z znakom minus.
Znak minus pojasnjuje Lenzovo pravilo. Tok, ki nastane v vezju, ustvarja magnetno polje, usmerjeno je v nasprotno smer. To je posledica zakona ohranjanja energije.
Smer indukcijskega toka lahko določimo s pravilom desne roke oz kardan, smo ga podrobno preučili na naši spletni strani.
Kot smo že omenili, zahvaljujoč pojavu elektromagnetne indukcije delujejo električni stroji, transformatorji, generatorji in motorji. Slika prikazuje tok toka v navitju armature pod vplivom magnetnega polja statorja. V primeru generatorja, ko se njegov rotor vrti z zunanjimi silami, v navitjih rotorja nastane EMF, tok ustvari magnetno polje, usmerjeno v nasprotno smer (isti predznak minus v formuli). Več toka, ki ga porabi obremenitev generatorja, večje je to magnetno polje in težje ga je vrteti.
In obratno - ko v rotorju teče tok, nastane polje, ki deluje s statorskim poljem in rotor se začne vrteti. Z obremenitvijo gredi se tok v statorju in v rotorju poveča, medtem ko je treba zagotoviti preklapljanje navitij, vendar je to druga tema, povezana z zasnovo električnih strojev.
V središču delovanja transformatorja je vir gibljivega magnetnega toka izmenično magnetno polje, ki izhaja iz toka izmeničnega toka v primarnem navitju.
Če želite to vprašanje podrobneje preučiti, priporočamo ogled videoposnetka, ki preprosto in enostavno razloži Faradayev zakon za elektromagnetno indukcijo:
Elektroliza
Poleg raziskav o EMF in elektromagnetni indukciji je znanstvenik prišel do velikih odkritij v drugih disciplinah, vključno s kemijo.
Ko tok teče skozi elektrolit, začnejo ioni (pozitivni in negativni) hiteti do elektrod. Negativni se premikajo proti anodi, pozitivni pa proti katodi. V tem primeru se na eni od elektrod sprosti določena masa snovi, ki jo vsebuje elektrolit.
Faraday je izvajal poskuse, prenašal različne tokove skozi elektrolit in meril maso snovi, nanesene na elektrode, sklepal vzorce.
m = k * Q
m je masa snovi, q je naboj, k pa je odvisen od sestave elektrolita.
In naboj je mogoče izraziti v smislu toka v določenem časovnem obdobju:
I = q / t, potem q = i * t
Zdaj lahko določite maso snovi, ki se bo sprostila, ob poznavanju toka in časa, ko je tekla. To se imenuje prvi Faradayev zakon elektrolize.
drugi zakon:
Masa kemičnega elementa, ki se usede na elektrodo, je neposredno sorazmerna z ekvivalentno maso element (molarna masa, deljena s številom, ki je odvisno od kemijske reakcije, v kateri snov).
Glede na zgoraj navedeno so ti zakoni združeni v formulo:
m je masa snovi, ki se je sprostila v gramih, n je število prenesenih elektronov v elektrodni proces, F = 986485 C / mol - Faradayjevo število, t - čas v sekundah, M molska masa snov g/mol.
V resnici je zaradi različnih razlogov masa oddane snovi manjša od izračunane (pri izračunu ob upoštevanju tekočega toka). Razmerje med teoretično in realno maso se imenuje trenutna učinkovitost:
BT = 100 % * mnaselje/ mteor
In končno, priporočamo, da si ogledate podrobno razlago Faradayevega zakona za elektrolizo:
Faradayjevi zakoni so pomembno prispevali k razvoju sodobne znanosti, zahvaljujoč njegovemu delu imamo elektromotorje in generatorje električne energije (pa tudi delo njegovih privržencev). Delo EMF in pojavi elektromagnetne indukcije so nam dali večino sodobnega električna oprema, vključno z zvočniki in mikrofoni, brez katerih ni mogoče poslušati posnetke in glasovno komunikacijo. Elektrolizni postopki se uporabljajo pri metodi galvanizacije premaznih materialov, ki ima tako dekorativno kot praktično vrednost.
Povezani materiali:
- Joule-Lenzov zakon
- Odvisnost upora prevodnika od temperature
- Ohmov zakon z enostavnimi besedami
