Faraday's wetten in de chemie en natuurkunde - een korte uitleg in eenvoudige woorden
Ontdekkingsverhaal
De wet van Faraday in de elektrodynamica werd ontdekt door twee wetenschappers: Michael Faraday en Joseph Henry, maar Faraday publiceerde de resultaten van zijn werk eerder - in 1831.
Bij zijn demonstratie-experimenten in augustus 1831 gebruikte hij een ijzeren torus, aan de tegenoverliggende uiteinden waarvan een draad was gewikkeld (één draad per zijde). Hij leverde stroom aan de uiteinden van een eerste draad van een galvanische batterij en verbond een galvanometer met de terminals van de tweede. Het ontwerp was vergelijkbaar met een moderne transformator. Door periodiek de spanning aan en uit te zetten op de eerste draad, observeerde hij golven op de galvanometer.
Een galvanometer is een zeer gevoelig instrument om de sterkte van kleine stromen te meten.
Zo werd de invloed van het door de stroom in de eerste draad opgewekte magnetische veld op de toestand van de tweede geleider weergegeven. Dit effect werd van de eerste naar de tweede overgedragen via de kern - een metalen torus. Als resultaat van onderzoek werd ook de invloed van een permanente magneet, die in de spoel beweegt, op de wikkeling ervan ontdekt.
Vervolgens legde Faraday het fenomeen van elektromagnetische inductie uit in termen van krachtlijnen. Een andere was de installatie voor het genereren van gelijkstroom: een koperen schijf draaide in de buurt van de magneet en de draad die erlangs gleed was een stroomafscheider. Deze uitvinding wordt de schijf van Faraday genoemd.
Wetenschappers uit die periode erkenden de ideeën van Faraday niet, maar Maxwell nam het onderzoek als basis voor zijn magnetische theorie. In 1836 vestigde Michael Faraday relaties voor elektrochemische processen, die de wetten van elektrolyse van Faraday werden genoemd. De eerste beschrijft de verhoudingen van de massa van de stof die op de elektrode is toegewezen en de stromende stroom, en de tweede beschrijft de verhoudingen van de massa van de stof in oplossing en de massa van de op de elektrode geïsoleerde stof voor een bepaalde hoeveelheid elektriciteit.
Elektrodynamica
De eerste werken worden gebruikt in de natuurkunde, met name in de beschrijving van de werking van elektrische machines en apparaten (transformatoren, motoren, enz.). De wet van Faraday luidt:
Voor het circuit is de geïnduceerde EMF recht evenredig met de grootte van de snelheid van de magnetische flux, die door dit circuit beweegt met een minteken.
Dit kan in eenvoudige woorden worden gezegd: hoe sneller de magnetische flux door het circuit beweegt, hoe meer emf wordt gegenereerd aan de terminals.
De formule is als volgt:
Hier is dF de magnetische flux en dt de tijdseenheid. Het is bekend dat snelheid de eerste afgeleide is.Dat wil zeggen de bewegingssnelheid van de magnetische flux in dit specifieke geval. Trouwens, het kan bewegen, zoals een bron van een magnetisch veld (een spoel met een stroom - een elektromagneet of een permanente magneet) en een circuit.
Hier kan de stroom worden uitgedrukt met de volgende formule:
B is het magnetische veld en dS is het oppervlak.
Als we een spoel met strak gewonden windingen beschouwen, terwijl het aantal beurten N is, dan is de Faraday-wet als volgt:
Magnetische flux in een formule van één omwenteling, gemeten in Weber. De stroom die in het circuit stroomt, wordt inductie genoemd.
Elektromagnetische inductie is een fenomeen van stroomstroming in een gesloten circuit onder invloed van een extern magnetisch veld.
In de bovenstaande formules kon je de tekens van de module opmerken, zonder dat deze er iets anders uitziet, zoals werd gezegd in de eerste formulering, met een minteken.
Het minteken legt de Lenz-regel uit. De stroom die in het circuit ontstaat, creëert een magnetisch veld, het is tegengesteld gericht. Dit is een gevolg van de wet van energiebesparing.
De richting van de inductiestroom kan worden bepaald door de regel van de rechterhand of gimlet, hebben we het op onze site in detail onderzocht.
Zoals eerder vermeld, werken elektrische machines, transformatoren, generatoren en motoren vanwege het fenomeen van elektromagnetische inductie. De afbeelding toont de stroom in de ankerwikkeling onder invloed van het magnetische veld van de stator. In het geval van de generator, wanneer de rotor roteert door externe krachten, verschijnt er een EMF in de rotorwikkelingen, de stroom genereert een magnetisch veld dat in de tegenovergestelde richting is gericht (hetzelfde minteken in de formule). Hoe groter de stroom die wordt verbruikt door de belasting van de generator, hoe groter het magnetische veld en hoe moeilijker de rotatie ervan.
En omgekeerd - wanneer er stroom in de rotor stroomt, verschijnt er een veld dat in wisselwerking staat met het statorveld en de rotor begint te draaien. Met een belasting op de as stijgt de stroom in de stator en in de rotor, en het is noodzakelijk om te zorgen voor het schakelen van de wikkelingen, maar dit is een ander onderwerp met betrekking tot de opstelling van elektrische machines.
In het hart van de werking van de transformator is de bron van de bewegende magnetische flux een wisselend magnetisch veld dat voortkomt uit de stroom wisselstroom in de primaire wikkeling.
Als u het probleem in meer detail wilt bestuderen, raden we u aan een video te bekijken waarin de Faraday-wet voor elektromagnetische inductie gemakkelijk en gemakkelijk wordt beschreven:
Electrolyse
Naast onderzoek naar EMF en elektromagnetische inductie, deed de wetenschapper grote ontdekkingen in andere disciplines, waaronder chemie.
Wanneer er stroom door de elektrolyt stroomt, beginnen ionen (positief en negatief) naar de elektroden te stromen. Negatieve beweging naar de anode, positief naar de kathode. Tegelijkertijd komt er een bepaalde massa van de stof in de elektrolyt vrij op een van de elektroden.
Faraday voerde experimenten uit, waarbij een andere stroom door de elektrolyt werd geleid en de massa van de op de elektroden afgezette stof werd gemeten, werden de patronen afgeleid.
m = k * Q
m is de massa van de stof, q is de lading en k is afhankelijk van de samenstelling van de elektrolyt.
Een lading kan worden uitgedrukt in termen van stroom over een bepaalde periode:
Ik = q / tdan q = i * t
Nu kunt u de massa van de stof die vrijkomt bepalen, wetende de stroom en de tijd dat deze stroomde. Dit wordt de eerste wet van Faraday-elektrolyse genoemd.
De tweede wet:
De massa van het chemische element dat zich op de elektrode nestelt, is recht evenredig met de equivalente massa van het element (molaire massa gedeeld door een getal dat afhangt van de chemische reactie waarbij de stof betrokken is).
Op basis van het voorgaande worden deze wetten gecombineerd in de formule:
m is de massa van de stof die vrijkwam in gram, n is het aantal overgedragen elektronen in het elektrodeproces, F = 986485 C / mol is het Faraday-nummer, t is de tijd in seconden, M is de molmassa van de stof g / mol.
In werkelijkheid is de massa van de vrijkomende stof om verschillende redenen kleiner dan de berekende (bij het berekenen van de stroom). De verhouding tussen theoretische en reële massa wordt huidige efficiëntie genoemd:
Bt = 100% * mberekening/ mtheorie
En tot slot raden we u aan om een gedetailleerde uitleg van de Faraday-wet voor elektrolyse te bekijken:
De wetten van Faraday hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van de moderne wetenschap, dankzij zijn werk hebben we elektromotoren en elektrische generatoren (evenals het werk van zijn volgelingen). Het werk van EMF en de verschijnselen van elektromagnetische inductie gaven ons de meeste moderne elektrische apparatuur, waaronder luidsprekers en microfoons, zonder welke het onmogelijk is om naar opnames en spraakcommunicatie te luisteren. Elektrolyseprocessen worden gebruikt in de galvanische methode van coatingmaterialen, die zowel decoratieve waarde als praktische waarde hebben.
Vergelijkbare materialen:
Bezig met laden ...
