Законы Фарадея в химии и физике — краткое объяснение простыми словами

  • История открытия
  • Электродинамика
  • Электролиз

История открытия

Закон Фарадея в электродинамике был открыт двумя учеными, Майклом Фарадеем и Джозефом Генри, но Фарадей опубликовал свои результаты раньше, в 1831 году.

В своих демонстрационных экспериментах в августе 1831 года он использовал железный тор с проволокой, намотанной вокруг его противоположных концов (по одной проволоке на сторону). На концы первого провода подводился ток от гальванической батареи, а к проводам второго провода был подключен гальванометр. По конструкции был похож на современный трансформатор. Периодически включая и выключая напряжение на первом проводе, он наблюдал всплески на гальванометре.

Гальванометр — очень чувствительный прибор для измерения силы малых токов.

Таким образом было проиллюстрировано влияние магнитного поля, создаваемого током в первом проводнике, на состояние второго проводника. Это влияние передавалось от первого ко второму через сердечник — металлический тор. Также было обнаружено влияние постоянного магнита, движущегося в катушке, на ее обмотку.

Затем Фарадей объяснил явление электромагнитной индукции с помощью силовых линий. Другой был прибор для генерации постоянного тока: медная мишень вращалась около магнита, а движущийся по ней провод был токосъемником. Это изобретение называется диском Фарадея.

Ученые того времени не признавали идеи Фарадея, но Максвелл взял эти исследования за основу своей магнитной теории. В 1836 году Майкл Фарадей установил коэффициенты для электрохимических процессов, которые он назвал законами электролиза Фарадея. Первый описывает соотношение массы вещества, испускаемого на электроде, и протекающего тока, а второй — отношение массы вещества в растворе и массы вещества, испускаемого на электроде, для данной величины тока.

Электродинамика

Первый используется в физике, в частности, при описании работы электрических машин и аппаратов (трансформаторов, двигателей и т. Д.). Закон Фарадея гласит:

Для данной цепи наведенная ЭДС прямо пропорциональна величине магнитного потока, который проходит через эту цепь со знаком минус.

Это можно выразить просто: чем быстрее магнитный поток проходит по цепи, тем больше ЭДС создается на ее проводниках.

Формула выглядит так:

Здесь dF — магнитный поток, dt — единица времени. Как известно, скорость — это первая производная от времени. Это скорость магнитного потока в данном конкретном случае. Между прочим, как источник магнитного поля (катушка с током, т.е. электромагнит или постоянный магнит), так и цепь могут двигаться.

В этом случае поток можно выразить с помощью следующей формулы:

B — магнитное поле, dS — поверхность.

Если рассматривать плотно намотанную катушку с числом витков N, закон Фарадея выглядит следующим образом:

Магнитный поток в формуле катушки измеряется в единицах Вебера. Ток, протекающий в цепи, называется индукционным.

Электромагнитная индукция — это явление, при котором ток течет по замкнутому контуру под действием внешнего магнитного поля.

В приведенных выше формулах вы могли заметить знаки модуля, без них он имеет немного другой вид, как было сказано в первой формулировке, со знаком минус.

Знак минус объясняет правило Ленца. Ток в цепи создает магнитное поле, направленное в противоположном направлении. Это следствие закона сохранения энергии.

Направление индукционного тока можно определить с помощью правила правой руки или правила Боравника, мы подробно обсуждали это на нашем сайте.

Как уже было сказано, электрические машины, трансформаторы, генераторы и двигатели работают за счет явления электромагнитной индукции. На рисунке показано протекание тока в обмотке якоря под действием магнитного поля статора. В случае генератора, когда ротор вращается под действием внешних сил, в обмотках ротора создается ЭДС, ток создает магнитное полелицом в противоположную сторону (тот же знак минус в шаблоне). Чем больше ток, потребляемый нагрузкой генератора, тем больше магнитное поле и тем труднее вращать генератор.

И наоборот, когда ток течет в роторе, создается поле, которое взаимодействует с полем статора, и ротор начинает вращаться. Когда вал нагружен, ток статора и ротора увеличивается, и необходимо переключать обмотки, но это еще одна тема, связанная с конструкцией электрических машин.

Трансформатор работает на основе переменного магнитного поля, возникающего в результате протекания переменного тока в первичной обмотке.

Если вы хотите изучить это более подробно, мы рекомендуем посмотреть это видео, в котором легко и доступно объясняется закон электромагнитной индукции Фарадея:

Электролиз

Помимо исследований ЭДС и электромагнитной индукции, ученый сделал большие открытия в других областях, в том числе в химии.

По мере прохождения тока через электролит ионы (положительные и отрицательные) начинают устремляться к электродам. Отрицательный движется к аноду, положительный к катоду. При этом на одном из электродов выделяется определенная масса вещества, содержащегося в электролите.

Фарадей проводил эксперименты, пропуская через электролит разные токи и измеряя массу вещества, осажденного на электродах, и выводил образцы.

м = к * Q

m — масса вещества, q — заряд, k зависит от состава электролита.

Заряд можно выразить в виде тока за определенный период времени:

I = q / t, тогда q = i * t

Теперь вы можете определить массу вещества, которое будет выпущено, зная силу тока и время, через которое оно прошло. Это называется первым законом электролиза Фарадея.

Второй закон:

Масса химического элемента, нанесенного на электрод, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента (молярная масса, деленная на число, в зависимости от химической реакции, в которой участвует вещество).

Учитывая вышеизложенное, эти законы объединены в формулу:

m — масса высвободившегося вещества в граммах, n — количество электронов, перенесенных в электродном процессе, F = 986485 Cl / моль — число Фарадея, t — время в секундах, M — молярная масса вещества, г / моль.

На самом деле по разным причинам масса выделившегося вещества меньше расчетной (с учетом тока). Отношение теоретической массы к фактической называется ходовой способностью:

Наконец, мы рекомендуем вам прочитать подробное объяснение закона Фарадея для электролиза:

Законы Фарадея внесли значительный вклад в современную науку, благодаря его работам появились электродвигатели и генераторы (а также работы его последователей). Работа ЭМП и явления электромагнитной индукции дали нам большинство современных электрических устройств, включая динамики и микрофоны, без которых невозможно слушать записи и голосовое общение. Процессы электролиза используются в гальваническом способе нанесения покрытий на материалы, который имеет как декоративное, так и практическое значение.

Связанные материалы: