Faradays Gesetze in Chemie und Physik - Eine kurze Erklärung in einfachen Worten
Entdeckungsgeschichte
Faradays Gesetz in der Elektrodynamik wurde von zwei Wissenschaftlern entdeckt: Michael Faraday und Joseph Henry, aber Faraday veröffentlichte die Ergebnisse seiner Arbeit früher - 1831.
In seinen Demonstrationsexperimenten im August 1831 verwendete er einen Eisentorus, an dessen gegenüberliegenden Enden ein Draht gewickelt war (ein Draht pro Seite). Er versorgte die Enden eines ersten Kabels mit Strom aus einer galvanischen Batterie und schloss ein Galvanometer an die Klemmen des zweiten an. Das Design ähnelte einem modernen Transformator. Er schaltete die Spannung am ersten Draht regelmäßig ein und aus und beobachtete Spannungsspitzen am Galvanometer.
Ein Galvanometer ist ein hochempfindliches Instrument zur Messung der Stärke kleiner Ströme.
So wurde der Einfluss des durch den Stromfluss im ersten Draht erzeugten Magnetfeldes auf den Zustand des zweiten Leiters dargestellt. Dieser Effekt wurde vom ersten zum zweiten durch den Kern übertragen - einen Metalltorus. Als Ergebnis der Forschung wurde auch der Einfluss eines Permanentmagneten, der sich in der Spule bewegt, auf seine Wicklung entdeckt.
Dann erklärte Faraday das Phänomen der elektromagnetischen Induktion anhand von Kraftlinien. Eine andere war die Installation zur Erzeugung von Gleichstrom: Eine Kupferscheibe, die in der Nähe des Magneten gedreht wurde, und der Draht, der entlang des Magneten gleitete, war ein Stromkollektor. Diese Erfindung wird Faradays Scheibe genannt.
Wissenschaftler dieser Zeit erkannten die Ideen von Faraday nicht, aber Maxwell nahm die Forschung als Grundlage für seine magnetische Theorie. Im Jahr 1836 stellte Michael Faraday Beziehungen für elektrochemische Prozesse her, die als Gesetze der Elektrolyse von Faraday bezeichnet wurden. Das erste beschreibt die Verhältnisse der Masse der auf der Elektrode zugeordneten Substanz und des fließenden Stroms, und das zweite beschreibt die Verhältnisse der Masse der Substanz in Lösung und der Masse der auf der Elektrode isolierten Substanz für eine bestimmte Elektrizitätsmenge.
Elektrodynamik
Die ersten Arbeiten werden in der Physik verwendet, insbesondere in der Beschreibung des Betriebs elektrischer Maschinen und Geräte (Transformatoren, Motoren usw.). Das Faradaysche Gesetz besagt:
Für eine Schaltung ist die induzierte EMF direkt proportional zur Größe der Geschwindigkeit des Magnetflusses, der sich mit einem Minuszeichen durch diese Schaltung bewegt.
Dies kann mit einfachen Worten gesagt werden: Je schneller sich der Magnetfluss durch die Schaltung bewegt, desto mehr EMK wird an seinen Anschlüssen erzeugt.
Die Formel lautet wie folgt:
Hier ist dF der magnetische Fluss und dt die Zeiteinheit. Es ist bekannt, dass die erste Ableitung die Geschwindigkeit ist.Das heißt, die Bewegungsgeschwindigkeit des Magnetflusses in diesem speziellen Fall. Übrigens kann es sich wie eine Magnetfeldquelle (eine Spule mit einem Strom - ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet) und einen Stromkreis bewegen.
Hier kann der Fluss durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
B ist das Magnetfeld und dS ist die Oberfläche.
Wenn wir eine Spule mit eng gewickelten Windungen betrachten, während in der Anzahl der Windungen N, dann ist das Faradaysche Gesetz wie folgt:
Magnetfluss in einer Ein-Umdrehungs-Formel, gemessen in Weber. Der im Stromkreis fließende Strom wird als Induktion bezeichnet.
Elektromagnetische Induktion ist ein Phänomen des Stromflusses in einem geschlossenen Stromkreis unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds.
In den obigen Formeln konnten Sie die Vorzeichen des Moduls erkennen, ohne sie sieht es etwas anders aus, wie in der ersten Formulierung gesagt, mit einem Minuszeichen.
Das Minuszeichen erklärt die Lenz-Regel. Der in der Schaltung entstehende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das entgegengesetzt gerichtet ist. Dies ist eine Folge des Energieerhaltungsgesetzes.
Die Richtung des Induktionsstroms kann durch die Regel der rechten Hand oder bestimmt werden Gimlethaben wir es auf unserer Seite im Detail untersucht.
Wie bereits erwähnt, arbeiten aufgrund des Phänomens der elektromagnetischen Induktion elektrische Maschinen, Transformatoren, Generatoren und Motoren. Die Abbildung zeigt den Stromfluss in der Ankerwicklung unter dem Einfluss des Statormagnetfeldes. Wenn sich der Rotor beim Generator durch äußere Kräfte dreht, erscheint eine EMF in den Rotorwicklungen, der Strom erzeugt ein Magnetfeld, das in die entgegengesetzte Richtung gerichtet ist (das gleiche Minuszeichen in der Formel). Je größer der von der Last des Generators verbrauchte Strom ist, desto größer ist das Magnetfeld und desto schwieriger ist seine Drehung.
Und umgekehrt - wenn Strom im Rotor fließt, erscheint ein Feld, das mit dem Statorfeld interagiert und der Rotor beginnt sich zu drehen. Bei einer Belastung der Welle steigt der Strom im Stator und im Rotor an, und es ist notwendig, das Schalten der Wicklungen sicherzustellen. Dies ist jedoch ein weiteres Thema im Zusammenhang mit der Anordnung elektrischer Maschinen.
Das Herzstück des Transformatorbetriebs ist die Quelle des sich bewegenden Magnetflusses ein magnetisches Wechselfeld, das sich aus dem Wechselstromfluss in der Primärwicklung ergibt.
Wenn Sie das Problem genauer untersuchen möchten, empfehlen wir Ihnen, sich ein Video anzusehen, in dem das Faradaysche Gesetz für elektromagnetische Induktion leicht und leicht beschrieben werden kann:
Elektrolyse
Neben der Erforschung von EMF und elektromagnetischer Induktion machte der Wissenschaftler große Entdeckungen in anderen Disziplinen, einschließlich der Chemie.
Wenn Strom durch den Elektrolyten fließt, beginnen Ionen (positiv und negativ) zu den Elektroden zu strömen. Negative Bewegung zur Anode, positive zur Kathode. Gleichzeitig wird an einer der Elektroden eine bestimmte Masse der im Elektrolyten enthaltenen Substanz freigesetzt.
Faraday führte Experimente durch, bei denen ein anderer Strom durch den Elektrolyten geleitet und die Masse der auf den Elektroden abgelagerten Substanz gemessen wurde, um die Muster abzuleiten.
m = k * Q.
m ist die Masse der Substanz, q ist die Ladung und k ist abhängig von der Zusammensetzung des Elektrolyten.
Eine Gebühr kann über einen bestimmten Zeitraum als Strom ausgedrückt werden:
I = q / tdann q = i * t
Jetzt können Sie die Masse der Substanz bestimmen, die freigesetzt wird, und dabei den Strom und die Zeit kennen, die vergangen ist. Dies wird das erste Gesetz der Faradayschen Elektrolyse genannt.
Das zweite Gesetz:
Die Masse des chemischen Elements, das sich auf der Elektrode absetzt, ist direkt proportional zur äquivalenten Masse des Elements (Molmasse geteilt durch eine Zahl, die von der chemischen Reaktion abhängt, an der die Substanz beteiligt ist).
Basierend auf dem Vorstehenden werden diese Gesetze in der Formel kombiniert:
m ist die Masse der Substanz, die in Gramm freigesetzt wurde, n ist die Anzahl der im Elektrodenprozess übertragenen Elektronen, F = 986485 C / mol ist die Faraday-Zahl, t ist die Zeit in Sekunden, M ist die Molmasse der Substanz g / mol.
In der Realität ist aus verschiedenen Gründen die Masse der emittierten Substanz geringer als die berechnete (bei der Berechnung des Stromflusses). Das Verhältnis von theoretischen und realen Massen wird als Stromeffizienz bezeichnet:
B.t = 100% * mBerechnung/ mTheor
Und schließlich empfehlen wir Ihnen, sich eine detaillierte Erklärung des Faradayschen Gesetzes für die Elektrolyse anzusehen:
Die Gesetze von Faraday haben einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der modernen Wissenschaft geleistet, dank seiner Arbeit haben wir Elektromotoren und Stromerzeuger (sowie die Arbeit seiner Anhänger). Die Arbeit von EMF und die Phänomene der elektromagnetischen Induktion gaben uns die meisten modernen elektrischen Geräte, einschließlich Lautsprecher und Mikrofone, ohne die es unmöglich ist, Aufzeichnungen und Sprachkommunikation anzuhören. Elektrolyseverfahren werden bei der galvanischen Methode zur Beschichtung von Materialien eingesetzt, die sowohl einen dekorativen als auch einen praktischen Wert hat.
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