Математическа нотация на единния закон на Фарадей за електролизата. Законите на Фарадей в химията и физиката - кратко обяснение с прости думи

Закони на електролизата (законите на Фарадей)

Защото пасажът електрически токчрез електрохимични системи е свързано с химични трансформации, трябва да има известна връзка между количеството на протичащото електричество и количеството на реагирали вещества. Той е открит от Фарадей и е изразен в първите количествени закони на електрохимията, наречени по-късно закони на Фарадей.

Първият закон на Фарадей . Количествата вещества, преобразувани по време на електролизата, са пропорционални на количеството електричество, преминало през електролита:

дm = к e q = к e То ,

дm е количеството на реагиралото вещество; к e - някакъв коефициент на пропорционалност; q е количеството електричество, равно на произведението на силата на тока I и времето t. Ако q = It = 1, тогавадm = к e, тоест коефициентът к e е количеството вещество, което е реагирало в резултат на потока на единица количество електричество. Коефициент къъъНаречен електрохимичен еквивалент .

Вторият закон на Фарадей отразява връзката, която съществува между количеството на реагиралото вещество и неговата природа: с постоянно количество пропуснато масово електричество различни вещества, изпитващи трансформация на електродите (изолиране от разтвор, промяна във валентността), пропорционално на химичните еквиваленти на тези вещества:

дм и/А и= const .

Възможно е да се комбинират и двата закона на Фарадей под формата на един общ закон: за екскреция или трансформация с ток 1 g-екв всяко вещество (1/zмол от вещество) винаги се нуждае от едно и също количество електричество, т.нар Числото на Фарадей (или фарадей ):

дm = То=То .

Точно измерена стойност на числото на Фарадей

Ф = 96484,52 ± 0,038 C/g-екв.

Такъв е зарядът, който носи един грам еквивалент на йони от всякакъв вид. Умножаване на това число поz (броя на елементарните заряди на йона), получаваме количеството електричество, което носи 1 g-йон . Разделяйки числото на Фарадей на числото на Авогадро, получаваме заряда на един едновалентен йон, равен на заряда на електрона:

д = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10–19 С.

Законите, открити от Фарадей през 1833 г., се спазват стриктно за проводниците от втория вид. Наблюдаваните отклонения от законите на Фарадей са очевидни. Те често се свързват с наличието на неотчетени паралелни електрохимични реакции. Отклонения от закона на Фарадей промишлени предприятиясвързани с изтичане на ток, загуба на вещество при пръскане на разтвора и др. В техническите настройки съотношението на количеството продукт, получено чрез електролиза, към количеството, изчислено въз основа на закона на Фарадей, е по-малко от единица и се нарича токов изход :

B T = = .

С внимателно лабораторни измерванияза недвусмислени електрохимични реакции ефективност на тока равно на едно(в рамките на експерименталната грешка). Законът на Фарадей се спазва стриктно, така че той е в основата на най-точния метод за измерване на количеството електричество, преминало през веригата, чрез количеството вещество, освободено от електрода. За тези измервания използвайте кулометри . Като кулометри се използват електрохимични системи, в които няма паралелни електрохимични и странични химични реакции. Според методите за определяне на количеството образувани вещества кулометрите се делят на електрогравиметрични, газови и титруващи. Примери за електрогравиметрични кулометри са сребърни и медни кулометри. Действието на сребърния кулометър на Ричардсън, който е електролизер

(–) Agï AgNO3× aqï Ag (+) ,

се основава на претегляне на масата на среброто, отложено върху катода по време на електролиза. При преминаване на 96500 C (1 фарадей) електричество, 1 g-eq сребро (107 g) ще се освободи на катода. При преминаванен F на електричество, експериментално определена маса се освобождава на катода (дмда се). Броят на преминатите фарадейни електричество се определя от съотношението

н = дм /107 .

Принципът на работа на медния кулометър е подобен.

При газовите кулометри продуктите на електролизата са газове, а количествата вещества, отделяни върху електродите, се определят чрез измерване на обемите им. Пример за устройство от този тип е газов кулометър, базиран на реакцията на електролиза на вода. По време на електролиза се отделя водород на катода:

2H2O+2 д- \u003d 2OH - + H 2,

и кислород на анода:

H 2 O \u003d 2H + +½ O 2 +2 д – Vе общият обем освободен газ, m3.

При титрационни кулометри количеството вещество, образувано по време на електролизата, се определя титриметрично. Този тип кулометър включва титруващия кулометър на Кистяковски, който е електрохимична система

(–) тï KNO3, HNO3ï Ag (+) .

По време на електролизата сребърният анод се разтваря, образувайки сребърни йони, които се титруват. Броят на фарадеите на електричеството се определя по формулата

н = mVc ,

където ме масата на разтвора, g; Vе обемът на титранта, използван за титруване на 1 g анодна течност; ° С – концентрация на титрант, g-eq/cm3.

Основи > Задачи и отговори

Електролиза. Законите на Фарадей

1 Намерете електрохимичния еквивалент на натрий. Моларна маса на натрийм \u003d 0,023 kg / mol, неговата валентност z \u003d 1. Константа на Фарадей

решение:

2 Цинк анодна масам \u003d 5 g се поставят в електролитна вана, през която преминава токаз \u003d 2 A. След колко времет анодът ще бъде ли изразходван изцяло за покриване на метални изделия? Електрохимичен еквивалент на цинк

решение:

3 Намерете константата на Фарадей, ако при преминаване през електролитната баня на заряда q = 7348 С при катода се отделя маса златом \u003d 5 g. Химичен еквивалент на злато A = 0,066 kg / mol.

решение:
Според комбинирания закон на Фарадей

оттук

4 Намерете елементарно електрически зарядд, ако масата на веществото, числено равна на химическия еквивалент, съдържа N o = N A /z атоми или молекули.

решение:
Йоните в електролитен разтвор носят редица елементарни заряди, равни на валентността z. Когато се освободи маса от вещество, която е числено равна на неговия химичен еквивалент, през разтвора преминава заряд, който е числено равен на константата на Фарадей, т.е.

Следователно елементарният заряд

5 Моларна маса на сребротом 1 \u003d 0,108 kg / mol, неговата валентност z 1 = 1 и електрохимичен еквивалент. Намерете електрохимичния еквивалент на златото k2, ако моларна масазлато m2 \u003d 0,197 kg / mol, неговата валентност z2 = 3.

решение:
Според втория закон на Фарадей имаме

оттук и електрохимичният еквивалент на златото

6 Намерете масите на веществата, освободени с течение на времетот \u003d 10 часа на катодите на три електролитни вани, свързани последователно към мрежата постоянен ток. Анодите във ваните - мед, никел и сребро - се спускат съответно в разтвори на CuS O 4, NiS0 4 и AgN0 3 . Плътност на тока на електролиза j =40 A/m2, катодна площ във всяка баняС = 500 cm Електрохимични еквиваленти на мед, никел и сребро

решение:
Токът във ваните I=jS. Според първия закон на Фарадей масите от вещества, освободени по време на електролиза

7 При никелиране на продукти с течение на времетот = 2 h дебелина на слоя от никелл =0,03 мм.
Намерете плътността на тока по време на електролиза. Електрохимичен еквивалент на никел, неговата плътност

решение:

8 Амперметър в серия с електролитната клетка показва тока io \u003d 1,5A. Каква корекция трябва да се направи на показанието на амперметъра, ако през времетот \u003d 10 минути маса мед се отлага върху катодам = 0,316 g? Електрохимичен еквивалент на медта.

решение:
Според първия закон на Фарадей m = kIт , където I е токът във веригата; оттук I = m/kt \u003d 1,6 A, т.е. Показанията на амперметъра трябва да бъдат коригирани.

9 Искайки да провери правилността на показанията на волтметъра, той беше свързан успоредно с резистор с известно съпротивление R=30 ом Последователно в общата верига беше включена електролитна вана, в която среброто се електролизира. По време нат \u003d 5 минути в тази вана се открои маса сребром = 55,6 mg. Волтметърът показа напрежение Vo \u003d 6 V. Намерете разликата между показанията на волтметъра и точна стойностспад на напрежението на резистора. Електрохимичен еквивалент на среброто.

решение:
Според първия закон на Фарадей m = klт , където I е токът във веригата. Точната стойност на спада на напрежението на съпротивлението V=IR = mR/kт \u003d 4,91 V. Разликата между показанията на волтметъра и точната стойност на спада на напрежението

10 За посребряване на лъжици през разтвор на сребърна сол с течение на времетот \u003d Преминава се ток от 5 часааз \u003d 1,8 A. Катодът ен \u003d 12 лъжици, всяка от които има повърхностС =50 cm2. Колко дебел е слоят от сребро, отложен върху лъжиците? Моларна маса на сребротом \u003d 0,108 kg / mol, неговата валентност z \u003d 1 и плътност .

решение:
Дебелина на слоя

11 Две електролитни вани са свързани последователно. Първата баня съдържа разтвор на железен хлорид (FeCl 2 ), във втория - разтвор на железен хлорид (FeCl 3 ). Намерете масите на освободеното желязо върху катодите и хлора върху анодите във всяка баня, докато зарядът преминава през банята. Моларни маси на желязо и хлор.

решение:
В първата баня желязото е двувалентно (z1=2), във втората баня е тривалентно (z2 = 3). Следователно при преминаване през разтвори с еднакви заряди върху катодите се отделят различни маси желязо: в първата баня

във втората баня

Тъй като валентността на хлорните атоми е z = 1, тогава на анода на всяка баня се отделя маса хлор

12 По време на електролизата на разтвор на сярна киселина (CuS O 4 ) консумация на мощност N=37 W. Намерете съпротивлението на електролита, ако навремет = 50 минути масата на водорода се освобождавам = 0,3 г. Моларна маса на водородам \u003d 0,001 kg / mol, неговата валентност z \u003d 1 .

решение:

13 При електролитния метод за производство на никел W се изразходва за единица маса m = 10 kWh ч/кг електроенергия. Електрохимичен еквивалент на никел. При какво напрежение се извършва електролиза?

решение:

14 Намерете масата на освободената мед, ако W = 5 kW са изразходвани за получаването й по електролитен методХ ч електричество. Електролизата се извършва при напрежение V =10 V, ефективност инсталацииз =75%. Електрохимичен еквивалент на медта.

решение:
ефективност инсталации

където q е зарядът, преминаващ през ваната. Маса на отделената мед m=kq; оттук

15 Какъв заряд преминава през разтвор на сярна киселина (CuS O 4) във времето t \u003d 10 s, ако токът през това време се увеличава равномерно от I 1 = 0 до I 2 = 4А? Каква маса мед се отделя на катода в този случай? Електрохимичен еквивалент на медта.

решение:
Среден ток

Зарядът, преминаващ през разтвора

Намирането на заряда графично е показано на фиг. 369. На графиката на тока спрямо времето защрихованата площ е числено равна на заряда. Масата на медта, отложена на катода,

16 При рафиниране на мед чрез електролиза, напрежение V=10 V се подава към електролитни вани, свързани последователно, с общо съпротивление R = 0,5 Ohm. Намерете масата на чистата мед, освободена върху катодите на ваната за времетот =10 ч емф поляризацияд = 6 V. Електрохимичен еквивалент на медта.

решение:

17 По време на електролизата на водата през електролитна баня за известно време t = 25 минути ток I \u003d 20 A. Каква е температуратат освободен кислород, ако е в обем V = 1 l под налягане p = 0,2 MPa? Моларна маса на водатам \u003d 0,018 kg / mol. Електрохимичен еквивалент на кислород.

решение:

където R = 8,31 J / (mol K) е газовата константа.

18 При електролитния метод за производство на алуминий W се изразходва за единица маса 1 m = 50 kWh ч/кг електроенергия. Електролизата се извършва при напрежение V1 = 1 6,2 V. Каква ще бъде консумацията на мощност W 2м за единица маса при напрежение V2 = 8, 1 V?
решение:

редокс процес, насилапротичащ под въздействието на електрически ток се нарича електролиза.

Електролизата се извършва в електролитна клетка, пълна с електролит, в която са потопени електроди, свързани към външен източник на ток.

Електрод, свързан към отрицателния полюс външен източникток се нарича катод. На катода протичат процесите на редукция на електролитните частици. Нарича се електрод, свързан към положителния полюс на източник на ток анод. На анода протичат окислителни процеси на електролитни частици или електроден материал.

Анодните процеси зависят от естеството на електролита и материала на анода. В това отношение електролизата се отличава с инертен и разтворим анод.

Анод се нарича инертен, чийто материал не се окислява по време на електролиза. Инертните електроди включват например графит (въглерод) и платина.

Анодът се нарича разтворим, чийто материал може да се окисли по време на електролиза. Повечето метални електроди са разтворими.

Като електролит могат да се използват разтвори или стопилки. В електролитен разтвор или стопилка йоните са в хаотично движение. Под действието на електрически ток йоните придобиват насочено движение: катионите се движат към катода, а анионите - към анода и съответно могат да се разреждат при електродите.

С електролиза топи се с инертни електродисамо метални катиони могат да бъдат редуцирани на катода, а анионите могат да бъдат окислени на анода.

По време на електролизата на водата решенияна катода освен метални катиони могат да се редуцират водни молекули, а в киселинни разтвори водородни йони Н+. По този начин на катода са възможни следните конкуриращи се реакции:

(-) К: Аз н + + не→ Аз

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

2Н++2 ē → H 2

Катодът първо реагира с най-висока стойностелектроден потенциал.

По време на електролизата на водата разтвори с разтворим анод, в допълнение към окисляването на аниони са възможни реакции на окисление на самия електрод, водни молекули и в алкални разтвори на хидроксидни йони (OH -):

(+) A: Аз - n ē→ Аз н +

анионно окисление Е 0

2H2O-4 ē O2+4H+

4OH - - 4 ē \u003d O 2 + 2H 2 O

При анода първата реакция е с най-малката стойностелектроден потенциал.

За електродните реакции се дават равновесни потенциали при липса на електрически ток.

Електролизата е неравновесен процес, поради което потенциалите на електродните реакции под ток се различават от техните равновесни стойности. Изместването на електродния потенциал от равновесната му стойност под въздействието на външен ток се нарича електродна поляризация. Размерът на поляризацията се нарича пренапрежение. Величината на пренапрежението се влияе от много фактори: естеството на материала на електрода, плътността на тока, температурата, pH средата и др.

Свръхнапреженията при катодно утаяване на метали са относително малки.

При високо пренапрежение, като правило, протича процесът на образуване на газове, като водород и кислород. Минималното водородно пренапрежение на катода в киселинни разтвори се наблюдава за Pt (h=0,1 V), а максималното за олово, цинк, кадмий и живак. Свръхнапрежението се променя, когато киселинните разтвори се заменят с алкални. Например, при платина в алкална среда, водородното свръхнапрежение е h = 0,31 V (вижте Приложението).

Отделянето на кислород от анода също е свързано с пренапрежение. Минималното свръхнапрежение на отделяне на кислород се наблюдава при Pt електроди (h=0,7 V), а максималното се наблюдава при цинк, живак и олово (виж Приложението).

От гореизложеното следва, че по време на електролизата на водни разтвори:

1) на катода се редуцират метални йони, електродните потенциали на които са по-големи от потенциала за редукция на водата (-0,82V). Металните йони с повече отрицателни електродни потенциали от -0,82V не се редуцират. Те включват алкални и алкалоземни металии алуминий.

2) върху инертен анод, като се вземе предвид пренапрежението на кислорода, настъпва окисляване на тези аниони, чийто потенциал е по-малък от потенциала на окисляване на вода (+1,23V). Такива аниони включват, например, I-, Br-, Cl-, NO2-, OH-. Анионите CO 3 2-, PO 4 3-, NO 3 -, F - - не се окисляват.

3) по време на електролиза с разтворим анод, електродите от тези метали се разтварят в неутрална и кисела среда, чийто електроден потенциал е по-малък от + 1,23V, а в алкална - по-малък от +0,413V.

Общите продукти на процесите на катода и анода са електрически неутрални вещества.

За да се извърши процесът на електролиза, към електродите трябва да се приложи напрежение. Напрежение на електролиза У el-za е потенциалната разлика, необходима за протичането на реакциите на катода и анода. Теоретично напрежение на електролиза ( У el-za, theor) без да се вземат предвид пренапрежението, омичният спад на напрежението в проводниците от първи вид и в електролита

Уел-за, теория = Еа - Е k, (7)

където Еа, Е k - потенциали на анодни и катодни реакции.

Връзката между количеството на веществото, освободено по време на електролизата, и количеството ток, преминаващ през електролита, се изразява с два закона на Фарадей.

I Законът на Фарадей.Количеството вещество, образувано върху електрода по време на електролиза, е право пропорционално на количеството електричество, което е преминало през разтвора (стопилката) на електролита:

където ке електрохимичният еквивалент, g/C или g/Ah; Ве количеството електричество, кулон, В=То; т-време, s; аз- ток, А; Ф\u003d 96500 C / mol (A s / mol) \u003d 26,8 A h / mol - константа на Фарадей; E е еквивалентната маса на веществото, g / mol.

При електрохимичните реакции еквивалентната маса на веществото се определя от:

не броят на електроните, участващи в електродната реакция на образуването на това вещество.

II Закон на Фарадей.Когато едно и също количество електричество преминава през различни електролити, масите на веществата, освободени от електродите, са пропорционални на еквивалентните им маси:

където м 1 и м 2 – маси на вещества 1 и 2, E 1 и E 2, g/mol – еквивалентни маси на вещества 1 и 2.

На практика, често поради възникването на конкуриращи се редокс процеси, върху електродите се образува по-малко вещество, отколкото съответства на електричеството, преминало през разтвора.

За да се характеризира загубата на електричество по време на електролиза, се въвежда понятието "Изход на ток". токов изход В те съотношението, изразено като процент от количеството на реално получения продукт от електролизата мфакт. към теоретично изчисленото мтеория:

Пример 10. Какви процеси ще протичат по време на електролизата на воден разтвор на натриев сулфат с въглероден анод? Какви вещества ще се отделят върху електродите, ако въглеродният електрод бъде заменен с меден?

решение:В разтвор на натриев сулфат, натриевите йони Na ​​+, SO 4 2- и водните молекули могат да участват в електродните процеси. Въглеродните електроди са инертни електроди.

На катода са възможни следните процеси на възстановяване:

(-) K: Na++ ē → На

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

При катода първо протича реакцията с най-висока стойност на електродния потенциал. Следователно редуцирането на водните молекули ще се случи на катода, придружено от освобождаване на водород и образуване на хидроксидни йони OH - в пространството около катода. Натриевите йони Na ​​+, присъстващи на катода, заедно с ОН йони - ще образуват алкален разтвор NaOH.

(+)A: 2 SO 4 2- - 2 ē → S 2 O 8 2-

2 H 2 O - 4 ē → 4H + + O 2 .

При анода първо протича реакцията с най-ниска стойност на електродния потенциал. Следователно окисляването на водните молекули с освобождаването на кислород ще продължи на анода и H + йони се натрупват в анодното пространство. Присъстващите SO 4 2- йони на анода с H + йони ще образуват разтвор на сярна киселина H 2 SO 4 .

Цялостната реакция на електролизата се изразява с уравнението:

2 Na 2 SO 4 + 6H 2 O \u003d 2H 2 + 4 NaOH + O 2 + 2H 2 SO 4.

катодни продукти анодни продукти

При замяна на въглероден (инертен) анод с меден, на анода става възможна друга реакция на окисление - разтваряне на мед:

Cu-2 ē → Cu2+

Този процес се характеризира с по-ниска потенциална стойност в сравнение с други възможни анодни процеси. Следователно, по време на електролизата на Na 2 SO 4 с меден анод, медта ще се окисли на анода, а медният сулфат CuSO 4 ще се натрупва в анодното пространство. Общата реакция на електролиза се изразява с уравнението:

Na 2 SO 4 + 2H 2 O + Cu \u003d H 2 + 2 NaOH + CuSO 4.

катодни продукти аноден продукт

Пример 11. Направете уравнение за процесите, протичащи при електролизата на воден разтвор на никелов хлорид NiCl 2 с инертен анод.

решение:Никелови йони Ni 2+, Cl- и водни молекули могат да участват в електродните процеси в разтвор на никелов хлорид. Като инертен анод може да се използва графитен електрод.

На катода са възможни следните реакции:

(-) K: Ni 2+ + 2 ē → Ni

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -

Потенциалът на първата реакция е по-висок, следователно никелови йони се редуцират на катода.

На анода са възможни следните реакции:

(+) A: 2 Cl - - 2 ē →Cl2

2H2O-4 ē O2+4H+ .

Според стандартните електродни потенциали на анода

трябва да се освободи кислород. Всъщност поради високото кислородно пренапрежение на електрода се отделя хлор. Големината на пренапрежението зависи от материала, от който е направен електродът. За графита пренапрежението на кислорода е 1,17 V при плътност на тока от 1 A ​​/ cm 2, което увеличава потенциала за окисляване на вода до 2,4 V.

Следователно електролизата на разтвор на никелов хлорид протича с образуването на никел и хлор:

Ni 2+ + 2Cl - \u003d Ni + Cl 2.

на катода при анода

Пример 12. Изчислете масата на веществото и обема на газа, отделен върху инертните електроди по време на електролизата на воден разтвор на сребърен нитрат AgNO 3, ако времето за електролиза е 25 минути и силата на тока е 3 A.

Решение.По време на електролизата на воден разтвор на AgNO 3 в случай на неразтворим анод (например графит), върху електродите протичат следните процеси:

(-) K: Ag + + ē → Аг ,

2H2O+2 ē → H 2 + 2OH -.

Потенциалът на първата реакция е по-висок, поради което редуцирането на сребърните йони настъпва на катода.

(+) A: 2H2O-4 ē O2+4H+ ,

анион NO 3 - не се окислява.

g или литри л.

Задачи

5. Запишете реакциите на електролиза на инертните електроди и изчислете масата на веществото, получено на катода, и обема на газа, освободен на анода по време на електролизата на електролитни разтвори, ако времето за електролиза е 20 минути, силата на тока аз\u003d 2A, ако токовият изход е V t \u003d 100%. Какви вещества ще се отделят върху електродите при смяна на инертен анод с метален анод, посочен в заданието?

№№	Електролит	метален електрод
	CuSO4	Cu
	MgCl 2	Ni
	Zn(NO 3) 2	Zn
	snf 2	сн
	CdSO4	CD
	FeCl2	Fe
	AgNO3	Ag
	HCl	co
	CoSO4	co
	NiCl2	Ni

Край на масата

За да се опишат процеси във физиката и химията, има редица закони и връзки, получени експериментално и чрез изчисление. Нито едно изследване не може да се проведе без предварителна оценка на процесите според теоретичните връзки. Законите на Фарадей се прилагат както във физиката, така и в химията и в тази статия ще се опитаме да поговорим накратко и ясно за всички известни открития на този велик учен.

История на откритията

Законът на Фарадей в електродинамиката е открит от двама учени: Майкъл Фарадей и Джоузеф Хенри, но Фарадей публикува резултатите от работата си по-рано - през 1831 г.

В демонстрационните си експерименти през август 1831 г. той използва железен тор, в противоположните краища на който е навита тел (по една тел на страна). В краищата на първия проводник той захранваше от галванична батерия и свързваше галванометър към изводите на втория. Дизайнът беше подобен на модерен трансформатор. Периодично включвайки и изключвайки напрежението на първия проводник, той забеляза изблици на галванометъра.

Галванометърът е високочувствителен инструмент за измерване на малки токове.

Така влиянието беше показано магнитно поле, образуван в резултат на протичане на тока в първия проводник, върху състоянието на втория проводник. Този удар се предава от първия на втория през сърцевината - метален тор. В резултат на изследването е открито и влиянието на постоянен магнит, който се движи в намотката върху нейната намотка.

Тогава Фарадей обясни феномена електромагнитна индукцияпо отношение на силовите линии. Друга беше инсталация за генериране на постоянен ток: меден диск се въртеше близо до магнит, а плъзгаща се по него тел беше токов колектор. Това изобретение се нарича дискът на Фарадей.

Учените от този период не приемат идеите на Фарадей, но Максуел взема изследването, за да формира основата на своята магнитна теория. През 1836 г. Майкъл Фарадей установява връзки за електрохимичните процеси, които те наричат ​​Законите на Фарадей за електролизата. Първият описва съотношението на масата на веществото, освободено върху електрода, и протичащия ток, а вторият описва съотношението на масата на веществото в разтвор и масата на веществото, освободено върху електрода, за определено количество електричество.

Електродинамика

Първите произведения се прилагат във физиката, по-специално при описанието на работата на електрическите машини и апарати (трансформатори, двигатели и др.). Законът на Фарадей казва:

За верига индуцираната ЕДС е право пропорционална на големината на скоростта магнитен поток, който се движи през този контур със знак минус.

Може да се каже с прости думи: колкото по-бързо се движи магнитният поток през веригата, толкова повече ЕМП се генерира в нейните изводи.

Формулата изглежда така:

Тук dФ е магнитният поток, а dt е единицата за време. Известно е, че първата производна по отношение на времето е скоростта. Тоест скоростта на движение на магнитния поток в този конкретен случай. Между другото, той може да се движи като източник на магнитно поле (намотка с ток - електромагнит, или постоянен магнит) и контура.

Тук потокът може да се изрази със следната формула:

B е магнитното поле, а dS е повърхностната площ.

Ако разгледаме намотка с плътно намотани завои, докато броят на завоите е N, тогава законът на Фарадей изглежда така:

Магнитният поток във формулата за един оборот се измерва във Webers. Токът, протичащ във веригата, се нарича индуктивен.

Електромагнитната индукция е явлението на протичане на тока в затворена верига под въздействието на външно магнитно поле.

Във формулите по-горе можете да забележите знаците за модул, без тях той има малко по-различна форма, както беше казано в първата формулировка, със знак минус.

Знакът минус обяснява правилото на Ленц. Токът, който възниква във веригата, създава магнитно поле, то е насочено в обратна посока. Това е следствие от закона за запазване на енергията.

Посока индукционен токможе да се определи от правилото дясна ръкаили ние го разгледахме подробно на нашия уебсайт.

Както вече споменахме, поради феномена на електромагнитната индукция работят електрически машини, трансформатори, генератори и двигатели. Илюстрацията показва протичането на тока в намотката на котвата под въздействието на магнитното поле на статора. В случай на генератор, когато роторът му се върти от външни сили, в намотките на ротора възниква EMF, токът генерира противоположно насочено магнитно поле (същият знак минус във формулата). Колкото по-голям е токът, изтеглен от натоварването на генератора, толкова по-голямо е това магнитно поле и толкова по-трудно е да се върти.

И обратното - когато ток тече в ротора, възниква поле, което взаимодейства с полето на статора и роторът започва да се върти. Когато валът е натоварен, токът в статора и в ротора се увеличава и е необходимо да се осигури превключване на намотките, но това е друга тема, свързана с проектирането на електрически машини.

В основата на работата на трансформатора източникът на движещия се магнитен поток е променливо магнитно поле, което възниква в резултат на протичането на променлив ток в първичната намотка.

Ако искате да проучите въпроса по-подробно, препоръчваме да гледате видеоклип, който лесно и ясно обяснява закона на Фарадей за електромагнитна индукция:

Електролиза

В допълнение към изследванията върху ЕМП и електромагнитната индукция, ученият направи големи открития в други дисциплини, включително химията.

Когато токът протича през електролита, йони (положителни и отрицателни) започват да се втурват към електродите. Негативите се движат към анода, положителните към катода. В същото време върху един от електродите се отделя определена маса от вещество, което се съдържа в електролита.

Фарадей провежда експерименти, като пропуска различни токове през електролита и измерва масата на веществото, отложено върху електродите, и извежда модели.

m е масата на веществото, q е зарядът, а k зависи от състава на електролита.

И зарядът може да бъде изразен като ток за определен период от време:

I=q/t, тогава q = i*t

Сега можете да определите масата на веществото, което ще се освободи, като знаете тока и времето, през което е протекъл. Това се нарича Първият закон за електролизата на Фарадей.

Втори закон:

Тегло химичен елемент, която ще се утаи върху електрода, е право пропорционална на еквивалентната маса на елемента (моларната маса, разделена на число, което зависи от химическа реакцияв който участва веществото).

С оглед на гореизложеното тези закони се комбинират във формулата:

m е масата на освободеното вещество в грамове, n е броят на електроните, прехвърлени в електродния процес, F=986485 C/mol е числото на Фарадей, t е времето в секунди, M е молната маса на веществото g /mol

В действителност, поради различни причини, масата на освободеното вещество е по-малка от изчислената (при изчисляване, като се вземе предвид протичащия ток). Съотношението на теоретичната и реалната маси се нарича токов изход:

B t \u003d 100% * m изчисление / m теория

Законите на Фарадей имат значителен принос за развитието съвременната наука, благодарение на работата му имаме електродвигатели и генератори на електричество (както и работата на неговите последователи). Работата на ЕМП и явленията на електромагнитната индукция ни дадоха по-голямата част от съвременното електрическо оборудване, включително високоговорители и микрофони, без които слушането на записи и гласовата комуникация е невъзможно. Процесите на електролиза се използват в галваничния метод на покриване на материали, който има както декоративна, така и практическа стойност.

Свързано съдържание:

Като( 0 ) Не харесвам( 0 )