Les lois de Faraday en chimie et physique - une brève explication en mots simples
Histoire de découverte
La loi de Faraday en électrodynamique a été découverte par deux scientifiques: Michael Faraday et Joseph Henry, mais Faraday a publié les résultats de ses travaux plus tôt - en 1831.
Dans ses expériences de démonstration en août 1831, il a utilisé un tore de fer, aux extrémités opposées duquel un fil était enroulé (un fil par côté). Il a alimenté les extrémités d'un premier fil d'une batterie galvanique et a connecté un galvanomètre aux bornes du second. La conception était similaire à un transformateur moderne. Allumant et éteignant périodiquement la tension sur le premier fil, il a observé des surtensions sur le galvanomètre.
Un galvanomètre est un instrument très sensible pour mesurer la force de petits courants.
Ainsi, l'influence du champ magnétique généré par la circulation du courant dans le premier fil sur l'état du second conducteur a été représentée. Cet effet a été transmis du premier au second à travers le noyau - un tore métallique. À la suite de recherches, l'influence d'un aimant permanent, qui se déplace dans la bobine, sur son enroulement a également été découverte.
Faraday a ensuite expliqué le phénomène d'induction électromagnétique en termes de lignes de force. Une autre était l'installation pour générer du courant continu: un disque de cuivre tourné près de l'aimant, et le fil glissant le long était un collecteur de courant. Cette invention est appelée disque de Faraday.
Les scientifiques de cette période n'ont pas reconnu les idées de Faraday, mais Maxwell a pris la recherche pour la base de sa théorie magnétique. En 1836, Michael Faraday a établi des relations pour les processus électrochimiques, qui ont été appelés les lois de l'électrolyse de Faraday. Le premier décrit les rapports de la masse de la substance allouée sur l'électrode et du courant circulant, et le second décrit les rapports de la masse de la substance en solution et de la masse de la substance isolée sur l'électrode pour une certaine quantité d'électricité.
Électrodynamique
Les premiers travaux sont appliqués en physique, notamment dans la description du fonctionnement des machines et appareils électriques (transformateurs, moteurs, etc.). La loi de Faraday stipule:
Pour un circuit, la FEM induite est directement proportionnelle à l'amplitude de la vitesse du flux magnétique, qui se déplace à travers ce circuit avec un signe moins.
Cela peut être dit en termes simples: plus le flux magnétique se déplace rapidement dans le circuit, plus la fréquence électromagnétique est générée à ses bornes.
La formule est la suivante:
Ici, dF est le flux magnétique et dt est l'unité de temps. La dérivée première fois est connue pour être la vitesse.C'est-à-dire la vitesse de déplacement du flux magnétique dans ce cas particulier. Soit dit en passant, il peut se déplacer, comme une source de champ magnétique (une bobine avec un courant - un électro-aimant ou un aimant permanent) et un circuit.
Ici, le flux peut être exprimé par la formule suivante:
B est le champ magnétique et dS est la surface.
Si nous considérons une bobine à spires étroitement enroulées, alors que dans le nombre de spires N, alors la loi de Faraday est la suivante:
Flux magnétique dans une formule à un tour, mesuré en Weber. Le courant circulant dans le circuit est appelé induction.
L'induction électromagnétique est un phénomène de circulation de courant dans un circuit fermé sous l'influence d'un champ magnétique externe.
Dans les formules ci-dessus, vous pourriez remarquer les signes du module, sans eux il a un aspect légèrement différent, comme cela a été dit dans la première formulation, avec un signe moins.
Le signe moins explique la règle de Lenz. Le courant qui monte dans le circuit crée un champ magnétique, il est dirigé en face. Ceci est une conséquence de la loi de conservation de l'énergie.
La direction du courant d'induction peut être déterminée par la règle de la main droite ou vrille, nous l'avons examiné en détail sur notre site.
Comme déjà mentionné, en raison du phénomène d'induction électromagnétique, les machines électriques, les transformateurs, les générateurs et les moteurs fonctionnent. L'illustration montre le flux de courant dans l'enroulement d'induit sous l'influence du champ magnétique du stator. Dans le cas du générateur, lorsque le rotor tourne par des forces externes, un EMF apparaît dans les enroulements du rotor, le courant génère un champ magnétique dirigé en sens inverse (le même signe moins dans la formule). Plus le courant consommé par la charge du générateur est important, plus le champ magnétique est important et plus sa rotation est difficile.
Et vice versa - lorsque le courant circule dans le rotor, un champ apparaît qui interagit avec le champ du stator et le rotor commence à tourner. Avec une charge sur l'arbre, le courant dans le stator et dans le rotor augmente, tout en commutant les enroulements doit être assuré, mais c'est un autre sujet lié à la construction de machines électriques.
Au cœur du fonctionnement du transformateur, la source du flux magnétique en mouvement est un champ magnétique alternatif issu du flux de courant alternatif dans l'enroulement primaire.
Si vous souhaitez étudier la question plus en détail, nous vous recommandons de regarder une vidéo sur laquelle la loi de Faraday pour l'induction électromagnétique est facilement et facilement décrite:
Électrolyse
En plus des recherches sur les CEM et l'induction électromagnétique, le scientifique a fait de grandes découvertes dans d'autres disciplines, dont la chimie.
Lorsque le courant traverse l'électrolyte, les ions (positifs et négatifs) commencent à se précipiter vers les électrodes. Déplacement négatif vers l'anode, positif vers la cathode. Dans le même temps, une certaine masse de la substance contenue dans l'électrolyte est libérée sur l'une des électrodes.
Faraday a mené des expériences, faisant passer un courant différent à travers l'électrolyte et mesurant la masse de la substance déposée sur les électrodes, en a déduit les motifs.
m = k * Q
m est la masse de la substance, q est la charge et k dépend de la composition de l'électrolyte.
Une charge peut être exprimée en termes de courant sur une période de temps:
I = q / talors q = i * t
Vous pouvez maintenant déterminer la masse de la substance qui sera libérée, en connaissant le courant et l'heure à laquelle il a coulé. C'est ce qu'on appelle la première loi de l'électrolyse de Faraday.
La deuxième loi:
La masse de l'élément chimique qui se dépose sur l'électrode est directement proportionnelle à la masse équivalente de l'élément (masse molaire divisée par un nombre qui dépend de la réaction chimique dans laquelle la substance est impliquée).
Sur la base de ce qui précède, ces lois sont combinées dans la formule:
m est la masse de la substance qui a été libérée en grammes, n est le nombre d'électrons transférés dans le processus d'électrode, F = 986485 C / mol est le nombre de Faraday, t est le temps en secondes, M est la masse molaire de la substance g / mol.
En réalité, pour diverses raisons, la masse de la substance rejetée est inférieure à celle calculée (lors du calcul du débit actuel). Le rapport des masses théoriques et réelles est appelé efficacité actuelle:
Bt = 100% * mcalcul/ mthéor
Et enfin, nous vous recommandons de regarder une explication détaillée de la loi de Faraday pour l'électrolyse:
Les lois de Faraday ont apporté une contribution importante au développement de la science moderne, grâce à son travail, nous avons des moteurs électriques et des générateurs électriques (ainsi que le travail de ses disciples). Le travail d'EMF et les phénomènes d'induction électromagnétique nous ont donné la plupart des équipements électriques modernes, y compris les haut-parleurs et les microphones, sans lesquels il est impossible d'écouter des enregistrements et des communications vocales. Les procédés d'électrolyse sont utilisés dans la méthode galvanique des matériaux de revêtement, qui présente à la fois une valeur décorative et une valeur pratique.
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