Leggi di Faraday in chimica e fisica: una breve spiegazione in parole semplici
Storia della scoperta
La legge di Faraday in elettrodinamica fu scoperta da due scienziati: Michael Faraday e Joseph Henry, ma Faraday pubblicò i risultati del suo lavoro in precedenza - nel 1831.
Nei suoi esperimenti dimostrativi nell'agosto 1831, usò un toro di ferro, alle estremità opposte delle quali era avvolto un filo (un filo per lato). Fornì energia alle estremità di un primo filo da una batteria galvanica e collegò un galvanometro ai terminali del secondo. Il design era simile a un moderno trasformatore. Accendendo e spegnendo periodicamente la tensione sul primo filo, ha osservato picchi sul galvanometro.
Un galvanometro è uno strumento altamente sensibile per misurare la forza di piccole correnti.
Pertanto, è stato rappresentato l'effetto del campo magnetico generato dal flusso di corrente nel primo filo sullo stato del secondo conduttore. Questo effetto è stato trasmesso dal primo al secondo attraverso il nucleo: un toro di metallo. Come risultato della ricerca, è stata anche scoperta l'influenza di un magnete permanente, che si muove nella bobina, sul suo avvolgimento.
Quindi Faraday ha spiegato il fenomeno dell'induzione elettromagnetica in termini di linee di forza. Un altro era l'installazione per generare corrente continua: un disco di rame ruotava vicino al magnete e il filo che scorreva lungo di esso era un collettore di corrente. Questa invenzione si chiama disco di Faraday.
Gli scienziati di quel periodo non riconobbero le idee di Faraday, ma Maxwell prese la ricerca come base della sua teoria magnetica. Nel 1836, Michael Faraday stabilì relazioni per i processi elettrochimici, che erano chiamati le leggi dell'elettrolisi di Faraday. Il primo descrive i rapporti tra la massa della sostanza allocata sull'elettrodo e la corrente che scorre, e il secondo descrive i rapporti tra la massa della sostanza in soluzione e la massa della sostanza isolata sull'elettrodo per una certa quantità di elettricità.
Elettrodinamica
I primi lavori sono utilizzati in fisica, in particolare nella descrizione del funzionamento di macchine e apparecchi elettrici (trasformatori, motori, ecc.). La legge di Faraday afferma:
Per un circuito, l'EMF indotto è direttamente proporzionale all'entità della velocità del flusso magnetico, che si muove attraverso questo circuito con un segno meno.
Questo può essere detto in parole semplici: più veloce è il flusso magnetico che si muove attraverso il circuito, più emf viene generato ai suoi terminali.
La formula è la seguente:
Qui dF è il flusso magnetico e dt è l'unità di tempo. È noto che la prima derivata è la velocità.Cioè, la velocità di movimento del flusso magnetico in questo caso particolare. A proposito, può muoversi, come una fonte di un campo magnetico (una bobina con una corrente - un elettromagnete o un magnete permanente) e un circuito.
Qui, il flusso può essere espresso con la seguente formula:
B è il campo magnetico e dS è l'area della superficie.
Se consideriamo una bobina con giri strettamente avvolti, mentre nel numero di giri N, la legge di Faraday è la seguente:
Flusso magnetico in una formula a un giro, misurata in Weber. La corrente che scorre nel circuito si chiama induzione.
L'induzione elettromagnetica è un fenomeno del flusso di corrente in un circuito chiuso sotto l'influenza di un campo magnetico esterno.
Nelle formule sopra, potresti notare i segni del modulo, senza di essi ha un aspetto leggermente diverso, come è stato detto nella prima formulazione, con un segno meno.
Il segno meno spiega la regola di Lenz. La corrente che si alza nel circuito crea un campo magnetico, è diretto di fronte. Questa è una conseguenza della legge di conservazione dell'energia.
La direzione della corrente di induzione può essere determinata dalla regola della mano destra o succhiello, l'abbiamo esaminato nel nostro sito in dettaglio.
Come già accennato, a causa del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, funzionano macchine elettriche, trasformatori, generatori e motori. L'illustrazione mostra il flusso di corrente nell'avvolgimento dell'indotto sotto l'influenza del campo magnetico dello statore. Nel caso del generatore, quando il rotore ruota per forze esterne, appare un EMF negli avvolgimenti del rotore, la corrente genera un campo magnetico diretto nella direzione opposta (lo stesso segno meno nella formula). Maggiore è la corrente consumata dal carico del generatore, maggiore è il campo magnetico e più difficile è la sua rotazione.
E viceversa - quando la corrente scorre nel rotore, appare un campo che interagisce con il campo dello statore e il rotore inizia a ruotare. Con un carico sull'albero, la corrente nello statore e nel rotore aumenta ed è necessario garantire la commutazione degli avvolgimenti, ma questo è un altro argomento relativo alla disposizione delle macchine elettriche.
Al centro del funzionamento del trasformatore, la sorgente del flusso magnetico in movimento è un campo magnetico alternato derivante dal flusso di corrente alternata nell'avvolgimento primario.
Se vuoi studiare il problema in modo più dettagliato, ti consigliamo di guardare un video in cui la Legge di Faraday per l'induzione elettromagnetica è facilmente e facilmente descritta:
Elettrolisi
Oltre alla ricerca sull'EMF e sull'induzione elettromagnetica, lo scienziato ha fatto grandi scoperte in altre discipline, compresa la chimica.
Quando la corrente scorre attraverso l'elettrolita, gli ioni (positivo e negativo) iniziano a correre verso gli elettrodi. Spostamento negativo verso l'anodo, positivo verso il catodo. In questo caso, una determinata massa della sostanza contenuta nell'elettrolita viene rilasciata su uno degli elettrodi.
Faraday condusse esperimenti, passando una corrente diversa attraverso l'elettrolita e misurando la massa di materia depositata sugli elettrodi, dedusse i modelli.
m = k * Q
m è la massa della sostanza, q è la carica e k dipende dalla composizione dell'elettrolita.
Un addebito può essere espresso in termini di corrente per un periodo di tempo:
I = q / tpoi q = i * t
Ora puoi determinare la massa della sostanza che verrà rilasciata, conoscendo la corrente e il tempo che è passato. Questa è chiamata la prima legge dell'elettrolisi di Faraday.
La seconda legge:
La massa dell'elemento chimico che si deposita sull'elettrodo è direttamente proporzionale alla massa equivalente dell'elemento (massa molare divisa per un numero che dipende dalla reazione chimica in cui la sostanza è coinvolta).
Sulla base di quanto precede, queste leggi sono combinate nella formula:
m è la massa della sostanza rilasciata in grammi, n è il numero di elettroni trasferiti nel processo degli elettrodi, F = 986485 C / mol è il numero di Faraday, t è il tempo in secondi, M è la massa molare della sostanza g / mol.
In realtà, per vari motivi, la massa della sostanza rilasciata è inferiore a quella calcolata (quando si calcola il flusso corrente). Il rapporto tra masse teoriche e reali si chiama efficienza attuale:
Bt = 100% * mcalcolo/ mtheor
E infine, ti consigliamo di leggere una spiegazione dettagliata della legge di Faraday per l'elettrolisi:
Le leggi di Faraday hanno dato un contributo significativo allo sviluppo della scienza moderna, grazie al suo lavoro abbiamo motori elettrici e generatori di energia elettrica (così come il lavoro dei suoi seguaci). Il lavoro di EMF e i fenomeni di induzione elettromagnetica ci hanno fornito la maggior parte delle moderne apparecchiature elettriche, compresi altoparlanti e microfoni, senza le quali è impossibile ascoltare registrazioni e comunicazioni vocali. I processi di elettrolisi sono utilizzati nel metodo galvanico dei materiali di rivestimento, che porta sia valore decorativo che valore pratico.
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