Prawa Faradaya w chemii i fizyce - krótkie wyjaśnienie w prostych słowach
Historia odkrycia
Prawo Faradaya w elektrodynamice zostało odkryte przez dwóch naukowców: Michaela Faradaya i Josepha Henry'ego, ale Faraday opublikował wyniki swojej pracy wcześniej - w 1831 roku.
W swoich eksperymentach demonstracyjnych w sierpniu 1831 r. Użył żelaznego torusa, na przeciwległych końcach którego nawinięto drut (jeden drut na bok). Dostarczył energię do końców jednego pierwszego drutu z baterii galwanicznej i podłączył galwanometr do zacisków drugiego. Konstrukcja była podobna do nowoczesnego transformatora. Okresowo włączając i wyłączając napięcie na pierwszym przewodzie, obserwował przepięcia na galwanometrze.
Galwanometr jest bardzo czułym przyrządem do pomiaru siły małych prądów.
Tak więc przedstawiono wpływ pola magnetycznego generowanego przez przepływ prądu w pierwszym przewodzie na stan drugiego przewodu. Ten efekt był przenoszony od pierwszego do drugiego przez rdzeń - metalowy torus. W wyniku badań odkryto także wpływ magnesu stałego, który porusza się w cewce na jej uzwojenie.
Następnie Faraday wyjaśnił zjawisko indukcji elektromagnetycznej w kategoriach linii siły. Kolejną była instalacja do generowania prądu stałego: miedziany dysk obracał się w pobliżu magnesu, a drut przesuwający się po nim był kolektorem prądu. Ten wynalazek nazywa się dyskiem Faradaya.
Naukowcy z tego okresu nie rozpoznali idei Faradaya, ale Maxwell wziął badania za podstawę swojej teorii magnetycznej. W 1836 r. Michael Faraday ustanowił relacje dla procesów elektrochemicznych, które nazwano Prawami elektrolizy Faradaya. Pierwszy opisuje stosunki masy substancji przydzielonej do elektrody i przepływającego prądu, a drugi opisuje stosunki masy substancji w roztworze i prądu przydzielonego do elektrody dla pewnej ilości elektryczności.
Elektrodynamika
Pierwsze prace są wykorzystywane w fizyce, w szczególności w opisie działania maszyn i urządzeń elektrycznych (transformatory, silniki itp.). Prawo Faradaya stanowi:
W przypadku obwodu indukowane pole elektromagnetyczne jest wprost proporcjonalne do wielkości prędkości strumienia magnetycznego, który porusza się w tym obwodzie ze znakiem minus.
Można to powiedzieć w prostych słowach: im szybciej strumień magnetyczny przepływa przez obwód, tym więcej emf jest generowane na jego zaciskach.
Wzór jest następujący:
Tutaj dF jest strumieniem magnetycznym, a dt jest jednostką czasu. Wiadomo, że pierwszą pochodną jest prędkość.To jest prędkość ruchu strumienia magnetycznego w tym konkretnym przypadku. Nawiasem mówiąc, może się poruszać, jak źródło pola magnetycznego (cewka z prądem - elektromagnes lub magnes stały) i obwód.
Tutaj przepływ można wyrazić za pomocą następującego wzoru:
B to pole magnetyczne, a dS to pole powierzchni.
Jeśli weźmiemy pod uwagę cewkę z ciasno nawiniętymi zwojami, podczas gdy w liczbie zwojów N, to prawo Faradaya jest następujące:
Strumień magnetyczny w formule o jednym obrocie, mierzony w Weber. Prąd płynący w obwodzie nazywany jest indukcją.
Indukcja elektromagnetyczna jest zjawiskiem przepływu prądu w obwodzie zamkniętym pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
W powyższych wzorach można było zauważyć znaki modułu, bez nich ma on nieco inny wygląd, tak jak powiedziano w pierwszym sformułowaniu, ze znakiem minus.
Znak minus wyjaśnia zasadę Lenza. Prąd powstający w obwodzie wytwarza pole magnetyczne, jest skierowane przeciwnie. Jest to konsekwencja prawa zachowania energii.
Kierunek prądu indukcyjnego można określić na podstawie reguły prawej ręki lub świder, szczegółowo sprawdziliśmy to na naszej stronie.
Jak już wspomniano, ze względu na zjawisko indukcji elektromagnetycznej działają maszyny elektryczne, transformatory, generatory i silniki. Ilustracja pokazuje przepływ prądu w uzwojeniu twornika pod wpływem pola magnetycznego stojana. W przypadku generatora, gdy wirnik obraca się pod wpływem sił zewnętrznych, w uzwojeniach wirnika pojawia się pole elektromagnetyczne, prąd generuje pole magnetyczne skierowane w przeciwnym kierunku (ten sam znak minus we wzorze). Im większy prąd pobierany przez obciążenie generatora, tym większe pole magnetyczne i tym trudniejszy jest jego obrót.
I odwrotnie - gdy prąd przepływa przez wirnik, pojawia się pole, które oddziałuje z polem stojana i wirnik zaczyna się obracać. Przy obciążeniu wału wzrasta prąd w stojanie i wirniku i konieczne jest zapewnienie przełączania uzwojeń, ale jest to kolejny temat związany z rozmieszczeniem maszyn elektrycznych.
W centrum pracy transformatora źródłem ruchomego strumienia magnetycznego jest przemienne pole magnetyczne powstające w wyniku przepływu prądu przemiennego w uzwojeniu pierwotnym.
Jeśli chcesz dokładniej przestudiować ten problem, zalecamy obejrzenie filmu, w którym można łatwo i łatwo opisać prawo Faradaya dotyczące indukcji elektromagnetycznej:
Elektroliza
Oprócz badań nad polem elektromagnetycznym i indukcją elektromagnetyczną naukowiec dokonał wielkich odkryć w innych dyscyplinach, w tym w chemii.
Kiedy prąd przepływa przez elektrolit, jony (dodatnie i ujemne) zaczynają biec do elektrod. Ujemne przejście do anody, dodatnie do katody. W tym samym czasie pewna masa substancji zawartej w elektrolicie jest uwalniana na jednej z elektrod.
Faraday przeprowadził eksperymenty, przepuszczając inny prąd przez elektrolit i mierząc masę substancji osadzonej na elektrodach, wydedukował wzory.
m = k * Q
m jest masą substancji, q jest ładunkiem, zaś k jest zależne od składu elektrolitu.
Opłata może być wyrażona jako prąd w danym okresie:
I = q / twtedy q = i * t
Teraz możesz określić masę substancji, która zostanie uwolniona, znając prąd i czas jej przepływu. Nazywa się to Pierwszym Prawem Elektrolizy Faradaya.
Drugie prawo:
Masa pierwiastka chemicznego osadzającego się na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do równoważnej masy pierwiastka (masa molowa podzielona przez liczbę zależną od reakcji chemicznej, w której bierze udział substancja).
W oparciu o powyższe prawa te są łączone w formułę:
m jest masą substancji, która została uwolniona w gramach, n jest liczbą przeniesionych elektronów w procesie elektrodowym, F = 986485 C / mol jest liczbą Faradaya, t jest czasem w sekundach, M jest masą molową substancji g / mol.
W rzeczywistości z różnych powodów masa uwolnionej substancji jest mniejsza niż obliczona (przy obliczaniu przepływu prądu). Stosunek mas teoretycznych i rzeczywistych nazywa się wydajnością prądową:
bt = 100% * mobliczenie/ mteorię
Na koniec zalecamy szczegółowe zapoznanie się z prawem Faradaya dotyczącym elektrolizy:
Prawa Faradaya wniosły znaczący wkład w rozwój współczesnej nauki, dzięki jego pracy mamy silniki elektryczne i generatory energii elektrycznej (a także pracę jego zwolenników). Praca EMF i zjawiska indukcji elektromagnetycznej dały nam większość nowoczesnego sprzętu elektrycznego, w tym głośników i mikrofonów, bez których nie można słuchać nagrań i komunikacji głosowej. Procesy elektrolizy są stosowane w galwanicznej metodzie materiałów powłokowych, która ma zarówno wartość dekoracyjną, jak i praktyczną.
Podobne materiały:
Ładowanie...
