Οι νόμοι του Faraday στη Χημεία και τη Φυσική - Μια σύντομη εξήγηση με απλές λέξεις
Ανακάλυψη ιστορία
Ο νόμος του Faraday στην ηλεκτροδυναμική ανακαλύφθηκε από δύο επιστήμονες: τον Michael Faraday και τον Joseph Henry, αλλά ο Faraday δημοσίευσε τα αποτελέσματα του έργου του νωρίτερα - το 1831.
Στα πειράματά του επίδειξης τον Αύγουστο του 1831, χρησιμοποίησε έναν σίδηρο στροφείο, στα αντίθετα άκρα του οποίου τυλίχθηκε ένα σύρμα (ένα σύρμα ανά πλευρά). Παρείχε ισχύ στα άκρα ενός πρώτου καλωδίου από γαλβανική μπαταρία και συνέδεσε ένα γαλβανόμετρο στους ακροδέκτες του δεύτερου. Ο σχεδιασμός ήταν παρόμοιος με έναν σύγχρονο μετασχηματιστή. Περιοδικά ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας την τάση στο πρώτο καλώδιο, παρατήρησε υπερτάσεις στο γαλβανόμετρο.
Το γαλβανόμετρο είναι ένα πολύ ευαίσθητο όργανο για τη μέτρηση της ισχύος των μικρών ρευμάτων.
Με αυτόν τον τρόπο, απεικονίστηκε η επίδραση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από τη ροή ρεύματος στο πρώτο καλώδιο στην κατάσταση του δεύτερου αγωγού. Αυτό το αποτέλεσμα μεταδόθηκε από το πρώτο στο δεύτερο μέσω του πυρήνα - ενός μεταλλικού στροφίου. Ως αποτέλεσμα της έρευνας, ανακαλύφθηκε επίσης η επίδραση ενός μόνιμου μαγνήτη, που κινείται στο πηνίο, στην περιέλιξή του.
Στη συνέχεια, ο Faraday εξήγησε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής με όρους γραμμών δύναμης. Μια άλλη ήταν η εγκατάσταση για την παραγωγή συνεχούς ρεύματος: ένας δίσκος χαλκού περιστράφηκε κοντά στον μαγνήτη και το σύρμα που σύρθηκε κατά μήκος ήταν ένας συλλέκτης ρεύματος. Αυτή η εφεύρεση ονομάζεται δίσκος Faraday.
Οι επιστήμονες εκείνης της περιόδου δεν αναγνώρισαν τις ιδέες του Faraday, αλλά ο Maxwell πήρε την έρευνα για να βασίσει τη μαγνητική του θεωρία. Το 1836, ο Michael Faraday καθιέρωσε σχέσεις για τις ηλεκτροχημικές διεργασίες, οι οποίες ονομάστηκαν Νόμοι της ηλεκτρόλυσης του Faraday. Η πρώτη περιγράφει τις αναλογίες της μάζας της ουσίας που κατανέμεται στο ηλεκτρόδιο και το ρεύμα ροής και η δεύτερη περιγράφει τους λόγους της μάζας της ουσίας σε διάλυμα και τη μάζα της ουσίας που απομονώνεται στο ηλεκτρόδιο για μια ορισμένη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Ηλεκτροδυναμική
Τα πρώτα έργα χρησιμοποιούνται στη φυσική, ειδικά στην περιγραφή της λειτουργίας ηλεκτρικών μηχανών και συσκευών (μετασχηματιστές, κινητήρες κ.λπ.). Ο νόμος του Faraday αναφέρει:
Για ένα κύκλωμα, το επαγόμενο EMF είναι ευθέως ανάλογο με το μέγεθος της ταχύτητας της μαγνητικής ροής, η οποία κινείται μέσω αυτού του κυκλώματος με ένα σύμβολο μείον.
Αυτό μπορεί να ειπωθεί με απλά λόγια: όσο πιο γρήγορα η μαγνητική ροή κινείται μέσω του κυκλώματος, τόσο περισσότερο δημιουργείται το emf στα τερματικά του.
Ο τύπος έχει ως εξής:
Εδώ το dF είναι η μαγνητική ροή και το dt είναι η μονάδα του χρόνου. Το πρώτο παράγωγο είναι γνωστό ότι είναι ταχύτητα.Δηλαδή, η ταχύτητα κίνησης της μαγνητικής ροής στη συγκεκριμένη περίπτωση. Παρεμπιπτόντως, μπορεί να κινηθεί, όπως μια πηγή μαγνητικού πεδίου (ένα πηνίο με ρεύμα - ένας ηλεκτρομαγνήτης ή ένας μόνιμος μαγνήτης) και ένα κύκλωμα.
Εδώ, η ροή μπορεί να εκφραστεί με τον ακόλουθο τύπο:
Το Β είναι το μαγνητικό πεδίο και το dS είναι η επιφάνεια.
Εάν θεωρήσουμε ένα πηνίο με σφιχτά πληγές, ενώ στον αριθμό των στροφών Ν, τότε ο νόμος Faraday έχει ως εξής:
Μαγνητική ροή σε έναν τύπο περιστροφής, μετρούμενη στο Weber. Το ρεύμα που ρέει στο κύκλωμα ονομάζεται επαγωγή.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι ένα φαινόμενο ροής ρεύματος σε κλειστό κύκλωμα υπό την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Στους παραπάνω τύπους, θα μπορούσατε να παρατηρήσετε τα σημάδια της ενότητας, χωρίς αυτά έχει μια ελαφρώς διαφορετική εμφάνιση, όπως ειπώθηκε στην πρώτη διατύπωση, με το σύμβολο μείον.
Το σύμβολο μείον εξηγεί τον κανόνα Lenz. Το ρεύμα που προκύπτει στο κύκλωμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, κατευθύνεται αντίθετα. Αυτό είναι συνέπεια του νόμου για τη διατήρηση της ενέργειας.
Η κατεύθυνση του ρεύματος επαγωγής μπορεί να καθοριστεί από τον κανόνα του δεξιού χεριού ή τρυπάνι, το εξετάσαμε λεπτομερώς στον ιστότοπό μας.
Όπως ήδη αναφέρθηκε, λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, λειτουργούν ηλεκτρικές μηχανές, μετασχηματιστές, γεννήτριες και κινητήρες. Η εικόνα δείχνει τη ροή του ρεύματος στο τύλιγμα του οπλισμού υπό την επίδραση του μαγνητικού πεδίου του στάτη. Στην περίπτωση της γεννήτριας, όταν ο ρότορας περιστρέφεται με εξωτερικές δυνάμεις, εμφανίζεται ένα EMF στις περιελίξεις του ρότορα, το ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που κατευθύνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση (το ίδιο αρνητικό σύμβολο στον τύπο). Όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που καταναλώνεται από το φορτίο της γεννήτριας, τόσο μεγαλύτερο είναι το μαγνητικό πεδίο και τόσο πιο δύσκολη είναι η περιστροφή του.
Και το αντίστροφο - όταν ρέει ρεύμα στον ρότορα, εμφανίζεται ένα πεδίο που αλληλεπιδρά με το πεδίο στάτορα και ο ρότορας αρχίζει να περιστρέφεται. Με ένα φορτίο στον άξονα, αυξάνεται το ρεύμα στο στάτορα και στο ρότορα, και είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η εναλλαγή των περιελίξεων, αλλά αυτό είναι ένα άλλο θέμα που σχετίζεται με τη διάταξη των ηλεκτρικών μηχανών.
Στην καρδιά της λειτουργίας του μετασχηματιστή, η πηγή της κινούμενης μαγνητικής ροής είναι ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που προκύπτει από τη ροή του εναλλασσόμενου ρεύματος στην πρωτεύουσα περιέλιξη.
Εάν θέλετε να μελετήσετε το ζήτημα με περισσότερες λεπτομέρειες, σας συνιστούμε να παρακολουθήσετε ένα βίντεο στο οποίο περιγράφεται εύκολα και εύκολα ο νόμος Faraday για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή:
Ηλεκτρόλυση
Εκτός από την έρευνα για το EMF και την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, ο επιστήμονας έκανε μεγάλες ανακαλύψεις σε άλλους κλάδους, συμπεριλαμβανομένης της χημείας.
Όταν το ρεύμα ρέει μέσω του ηλεκτρολύτη, τα ιόντα (θετικά και αρνητικά) αρχίζουν να ορμούνται στα ηλεκτρόδια. Αρνητική μετακίνηση στην άνοδο, θετική στην κάθοδο. Ταυτόχρονα, μια συγκεκριμένη μάζα της ουσίας που περιέχεται στον ηλεκτρολύτη απελευθερώνεται σε ένα από τα ηλεκτρόδια.
Ο Faraday πραγματοποίησε πειράματα, περνώντας ένα διαφορετικό ρεύμα μέσω του ηλεκτρολύτη και μετρώντας τη μάζα της ουσίας που εναποτέθηκε στα ηλεκτρόδια, συνήγαγε τα σχήματα.
m = k * Q
m είναι η μάζα της ουσίας, q είναι το φορτίο και το k εξαρτάται από τη σύνθεση του ηλεκτρολύτη.
Μια χρέωση μπορεί να εκφραστεί ως τρέχουσα για μια χρονική περίοδο:
I = q / tτότε q = i * t
Τώρα μπορείτε να προσδιορίσετε τη μάζα της ουσίας που θα απελευθερωθεί, γνωρίζοντας το ρεύμα και το χρόνο που ρέει. Αυτό ονομάζεται ο πρώτος νόμος της ηλεκτρόλυσης Faraday.
Ο δεύτερος νόμος:
Η μάζα του χημικού στοιχείου που εγκαθίσταται στο ηλεκτρόδιο είναι ευθέως ανάλογη με την ισοδύναμη μάζα του στοιχείου (μοριακή μάζα διαιρούμενη με έναν αριθμό που εξαρτάται από τη χημική αντίδραση στην οποία εμπλέκεται η ουσία).
Με βάση τα παραπάνω, αυτοί οι νόμοι συνδυάζονται στον τύπο:
m είναι η μάζα της ουσίας που απελευθερώθηκε σε γραμμάρια, n είναι ο αριθμός των μεταφερόμενων ηλεκτρονίων κατά τη διαδικασία του ηλεκτροδίου, F = 986485 C / mol είναι ο αριθμός Faraday, t είναι ο χρόνος σε δευτερόλεπτα, M είναι η γραμμομοριακή μάζα της ουσίας g / mol.
Στην πραγματικότητα, για διάφορους λόγους, η μάζα της εκπεμπόμενης ουσίας είναι μικρότερη από την υπολογιζόμενη (κατά τον υπολογισμό της τρέχουσας ροής). Η αναλογία θεωρητικών και πραγματικών μαζών ονομάζεται τρέχουσα απόδοση:
σιτ = 100% * μυπολογισμός/ Μθεώρος
Και τέλος, σας συνιστούμε να δείτε μια λεπτομερή εξήγηση του νόμου Faraday για την ηλεκτρόλυση:
Οι νόμοι του Faraday συνέβαλαν σημαντικά στην ανάπτυξη της σύγχρονης επιστήμης, χάρη στο έργο του έχουμε ηλεκτροκινητήρες και γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας (καθώς και το έργο των οπαδών του). Το έργο του EMF και τα φαινόμενα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής μας έδωσαν το μεγαλύτερο μέρος του σύγχρονου ηλεκτρικού εξοπλισμού, συμπεριλαμβανομένων των ηχείων και των μικροφώνων, χωρίς τον οποίο είναι αδύνατο να ακούσουμε ηχογραφήσεις και φωνητική επικοινωνία. Οι διαδικασίες ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιούνται στη γαλβανική μέθοδο επίστρωσης υλικών, η οποία έχει τόσο διακοσμητική όσο και πρακτική αξία.
Παρόμοια υλικά:
Φόρτωση...
