Las leyes de Faraday en química y física: una breve explicación en palabras simples
Historia de descubrimiento
La ley de Faraday en electrodinámica fue descubierta por dos científicos: Michael Faraday y Joseph Henry, pero Faraday publicó los resultados de su trabajo antes, en 1831.
En sus experimentos de demostración en agosto de 1831, utilizó un toro de hierro, en los extremos opuestos del cual se enrollaba un cable (un cable por lado). Suministró energía a los extremos de un primer cable de una batería galvánica, y conectó un galvanómetro a los terminales del segundo. El diseño era similar a un transformador moderno. Periódicamente encendiendo y apagando el voltaje en el primer cable, observó sobretensiones en el galvanómetro.
Un galvanómetro es un instrumento altamente sensible para medir la fuerza de pequeñas corrientes.
Así, se representaba el efecto del campo magnético generado por el flujo de corriente en el primer cable sobre el estado del segundo conductor. Este efecto se transmitió del primero al segundo a través del núcleo: un toro de metal. Como resultado de la investigación, también se descubrió la influencia de un imán permanente, que se mueve en la bobina, en su devanado.
Entonces Faraday explicó el fenómeno de la inducción electromagnética en términos de líneas de fuerza. Otra fue la instalación para generar corriente continua: un disco de cobre giraba cerca del imán, y el cable que lo deslizaba era un colector de corriente. Este invento se llama disco de Faraday.
Los científicos de ese período no reconocieron las ideas de Faraday, pero Maxwell tomó la investigación como base de su teoría magnética. En 1836, Michael Faraday estableció relaciones para procesos electroquímicos, que se denominaron Leyes de electrólisis de Faraday. El primero describe las proporciones de la masa de la sustancia asignada en el electrodo y la corriente de flujo, y el segundo describe las proporciones de la masa de la sustancia en solución y la masa de la sustancia aislada en el electrodo para una cierta cantidad de electricidad.
Electrodinámica
Los primeros trabajos se utilizan en física, específicamente en la descripción del funcionamiento de máquinas y aparatos eléctricos (transformadores, motores, etc.). La Ley de Faraday establece:
Para un circuito, el EMF inducido es directamente proporcional a la magnitud de la velocidad del flujo magnético, que se mueve a través de este circuito con un signo menos.
Esto se puede decir en palabras simples: cuanto más rápido se mueve el flujo magnético a través del circuito, más fem se genera en sus terminales.
La fórmula es la siguiente:
Aquí dF es el flujo magnético, y dt es la unidad de tiempo. Se sabe que la primera derivada del tiempo es la velocidad.Es decir, la velocidad del flujo magnético en este caso particular. Por cierto, puede moverse, como una fuente de un campo magnético (una bobina con corriente, un electroimán o un imán permanente), y un circuito.
Aquí, el flujo puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
B es el campo magnético y dS es el área de superficie.
Si consideramos una bobina con vueltas bien enrolladas, mientras que en el número de vueltas N, la ley de Faraday es la siguiente:
Flujo magnético en una fórmula de una revolución, medida en Weber. La corriente que fluye en el circuito se llama inducción.
La inducción electromagnética es un fenómeno de flujo de corriente en un circuito cerrado bajo la influencia de un campo magnético externo.
En las fórmulas anteriores, puede observar los signos del módulo, sin ellos tiene un aspecto ligeramente diferente, como se dijo en la primera formulación, con un signo menos.
El signo menos explica la regla de Lenz. La corriente que surge en el circuito crea un campo magnético, se dirige en sentido opuesto. Esto es consecuencia de la ley de conservación de la energía.
La dirección de la corriente de inducción puede determinarse por la regla de la mano derecha o barrena de mano, lo examinamos en nuestro sitio en detalle.
Como ya se mencionó, debido al fenómeno de la inducción electromagnética, funcionan máquinas eléctricas, transformadores, generadores y motores. La ilustración muestra el flujo de corriente en el devanado del inducido bajo la influencia del campo magnético del estator. En el caso del generador, cuando el rotor gira por fuerzas externas, aparece un EMF en los devanados del rotor, la corriente genera un campo magnético dirigido en la dirección opuesta (el mismo signo menos en la fórmula). Cuanto mayor es la corriente consumida por la carga del generador, mayor es el campo magnético y más difícil es su rotación.
Y viceversa: cuando la corriente fluye en el rotor, aparece un campo que interactúa con el campo del estator y el rotor comienza a girar. Con una carga en el eje, la corriente en el estator y en el rotor aumenta, mientras que el cambio de los devanados debe asegurarse, pero este es otro tema relacionado con la construcción de máquinas eléctricas.
En el corazón de la operación del transformador, la fuente del flujo magnético en movimiento es un campo magnético alterno que surge del flujo de corriente alterna en el devanado primario.
Si desea estudiar el problema con más detalle, le recomendamos ver un video en el que se describe fácil y fácilmente la Ley de Faraday para la inducción electromagnética:
Electrólisis
Además de la investigación sobre EMF e inducción electromagnética, el científico hizo grandes descubrimientos en otras disciplinas, incluida la química.
Cuando la corriente fluye a través del electrolito, los iones (positivos y negativos) comienzan a precipitarse hacia los electrodos. Movimiento negativo al ánodo, positivo al cátodo. Al mismo tiempo, una cierta masa de la sustancia contenida en el electrolito se libera en uno de los electrodos.
Faraday realizó experimentos, pasando una corriente diferente a través del electrolito y midiendo la masa de materia depositada en los electrodos, dedujo los patrones.
m = k * Q
m es la masa de la sustancia, q es la carga yk depende de la composición del electrolito.
Un cargo puede expresarse en términos de corriente durante un período de tiempo:
I = q / tentonces q = i * t
Ahora puede determinar la masa de la sustancia que se liberará, conociendo la corriente y el tiempo en que fluyó. Esto se llama la primera ley de la electrólisis de Faraday.
La segunda ley:
La masa del elemento químico que se deposita en el electrodo es directamente proporcional a la masa equivalente del elemento (masa molar dividida por un número que depende de la reacción química en la que está involucrada la sustancia).
Con base en lo anterior, estas leyes se combinan en la fórmula:
m es la masa de la sustancia que se liberó en gramos, n es el número de electrones transferidos en el proceso del electrodo, F = 986485 C / mol es el número de Faraday, t es el tiempo en segundos, M es la masa molar de la sustancia g / mol.
En realidad, debido a varias razones, la masa de la sustancia liberada es menor que la calculada (al calcular el flujo de corriente). La relación de masas teóricas y reales se llama eficiencia actual:
sit = 100% * mcálculo/ mtheor
Y, por último, le recomendamos que consulte una explicación detallada de la ley de Faraday para la electrólisis:
Las leyes de Faraday hicieron una contribución significativa al desarrollo de la ciencia moderna, gracias a su trabajo tenemos motores eléctricos y generadores de energía eléctrica (así como el trabajo de sus seguidores). El trabajo de EMF y los fenómenos de inducción electromagnética nos proporcionaron la mayoría de los equipos eléctricos modernos, incluidos altavoces y micrófonos, sin los cuales es imposible escuchar grabaciones y comunicaciones de voz. Los procesos de electrólisis se utilizan en el método galvánico de los materiales de recubrimiento, que tiene tanto valor decorativo como valor práctico.
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