Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Для опису процесів у фізиці і хімії є цілий ряд законів і співвідношень, отриманих експериментальним і розрахунковим шляхом. Жодного дослідження не можна провести без попередньої оцінки процесів з теоретичних співвідношень. Закони Фарадея застосовуються і у фізиці, і в хімії, а в цій статті ми постараємося коротко і зрозуміло розповісти про всіх знаменитих відкриття цього великого вченого.Історія відкриття
Закон Фарадея в електродинаміки був відкритий двома вченими: Майклом Фарадеєм і Джозефом Генрі, але Фарадей опублікував результати своїх робіт раніше - в 1831 році.
У своїх демонстраційних експериментах в серпні 1831 він використовував залізний тор, на протилежні кінці якого був намотаний провід (по одному дроту на боку). На кінці одного першого проводу він подав харчування від гальванічної батареї, а на висновки другого підключив гальванометр. Конструкція була схожа на сучасний трансформатор. Періодично включаючи і вимикаючи напруга на першому дроті, він спостерігав сплески на гальванометрі.
Гальванометр - це високочутливий прилад для вимірювання сили струмів малої величини.
Таким чином було зображено вплив магнітного поля, що утворився в результаті протікання струму в першому дроті, на стан другого провідника. Це вплив передавалося від першого до другого через сердечник - металевий тор. В результаті досліджень було виявлено та вплив постійного магніту, який рухається в котушці, на її обмотку.
Тоді Фарадей пояснював явище електромагнітної індукції з точки зору силових ліній. Ще однією була установка для генерування постійного струму: мідний диск обертався поблизу магніту, а ковзає по ньому провід був токос'емник. Цей винахід так і називається - диск Фарадея.
Вчені того періоду не визнали ідеї Фарадея, але Максвелл взяв дослідження для основи своєї магнітної теорії. У 1836 р Майкл Фарадей встановив співвідношення для електрохімічних процесів, які назвали Законами електролізу Фарадея. Перший описує співвідношення виділеної на електроді маси речовини і протікає струму, а другий співвідношення маси речовини в розчині і виділеного на електроді, для певної кількості електрики.
електродинаміка
Перші роботи застосовуються у фізиці, конкретно в описі роботи електричних машин і апаратів (трансформаторів, двигунів та ін.). Закон Фарадея говорить:
Для контуру индуцированная ЕРС прямо пропорційна величині швидкості магнітного потоку, який переміщується через цей контур зі знаком мінус.
Це можна сказати простими словами: чим швидше магнітний потік рухається через контур, тим більше на його висновках генерується ЕРС.
Формула виглядає наступним чином:
Тут dФ - магнітний потік, а dt - одиниця часу. Відомо, що перша похідна за часом - це швидкість. Тобто швидкість переміщення магнітного потоку в даному конкретному випадку. До речі переміщатися може, як і джерело магнітного поля (котушка зі струмом - електромагніт, або постійний магніт), так і контур.
Тут же потік можна виразити за такою формулою:
B - магнітне поле, а dS - площа поверхні.
Якщо розглядати котушку з плотнонамотаннимі витками, при цьому в кількості витків N, то закон Фарадея виглядає наступним чином:
Магнітний потік у формулі на один виток, вимірюється в Вебера. Струм, що протікає в контурі, називається індукційним.
Електромагнітна індукція - явище протікання струму в замкнутому контурі під впливом зовнішнього магнітного поля.
У формулах вище ви могли помітити знаки модуля, без них вона має злегка інший вид, такий як було сказано в першій формулюванні, зі знаком мінус.
Знак мінус пояснює правило Ленца. Струм, що виникає в контурі, створює магнітне поле, воно спрямоване протилежно. Це є наслідком закону збереження енергії.
Напрямок індукційного струму можна визначити за правилом правої руки або гвинта, ми його розглядали на нашому сайті детально.
Як вже було сказано, завдяки явищу електромагнітної індукції працюють електричні машини трансформатори, генератори і двигуни. На ілюстрації показано протікання струму в обмотці якоря під впливом магнітного поля статора. У випадку з генератором, при обертанні його ротора зовнішніми силами в обмотках ротора виникає ЕРС, струм породжує магнітне поле спрямоване протилежно (той самий знак мінус у формулі). Чим більше струм, споживаний навантаженням генератора, тим більше це магнітне поле, і тим більше ускладнюється його обертання.
І навпаки - при протіканні струму в роторі виникає поле, яке взаємодіє з полем статора і ротор починає обертатися. При навантаженні на вал ток в статорі і в роторі підвищується, при цьому потрібно забезпечити перемикання обмоток, але це вже інша тема, пов'язана з влаштуванням електричних машин.
В основі роботи трансформатора джерелом рухомого магнітного потоку є змінне магнітне поле, що виникає в наслідок протікання в первинній обмотці змінного струму.
Якщо ви бажаєте більш детально вивчити питання, рекомендуємо переглянути відео, на якому легко і доступно розповідається Закон Фарадея для електромагнітної індукції:
електроліз
Крім досліджень ЕРС і електромагнітної індукції учений зробив великі відкриття і в інших дисциплінах, в тому числі хімії.
При протіканні струму через електроліт іони (позитивні і негативні) починають спрямовуватися до електродів. Негативні рухаються до анода, позитивні до катода. При цьому на одному з електродів виділяється певна маса речовини, яка міститься в електроліті.
Фарадей проводив експерименти, пропускаючи різний струм через електроліт і вимірюючи масу речовини відклався на електродах, вивів закономірності.
m = k * Q
m - маса речовини, q - заряд, а k - залежить від складу електроліту.
А заряд можна виразити через струм за проміжок часу:
I = q / t, тоді q = i * t
Тепер можна визначити масу речовини, що виділиться, знаючи струм і час, який він протікав. Це називається Перший закон електролізу Фарадея.
Другий закон:
Маса хімічного елемента, який осяде на електроді, прямо пропорційна еквівалентної масі елемента (молярніймасі розділеної на число, яке залежить від хімічної реакції, в якій бере участь речовина).
З урахуванням вищесказаного ці закони об'єднуються в формулу:
m - маса речовини, яка виділилася в грамах, n - кількість переносите електронів в електродному процесі, F = 986485 Кл / моль - число Фарадея, t - час в секундах, M молярна маса речовини г / моль.
В реальності ж через низку обставин, маса виділяється речовини менше ніж розрахункова (при розрахунках з урахуванням викликаного струму). Ставлення теоретичної і реальної мас називають виходом по току:
B т = 100% * m розр / m теор
Ну і наостанок рекомендуємо переглянути докладне пояснення закону Фарадея для електролізу:
Закони Фарадея внесли істотний внесок у розвиток сучасної науки, завдяки його роботам ми маємо електродвигуни та генератори електроенергії (а також робіт його послідовників). Робота ЕРС і явища електромагнітної індукції подарували нам велику частину сучасного електрообладнання, в тому числі і гучномовці та мікрофони, без яких неможливо прослуховування записів і голосовий зв'язок. Процеси електролізу застосовуються в гальванічному методі покриття матеріалів, що несе як декоративну цінність, так і практичну.
Схожі матеріали:
- Закон Джоуля-Ленца
- Залежність опору провідника від температури
- Закон Ома простими словами