Фарадей. открытие электромагнитной индукции. максвелл

Законы Майкла Фарадея

В результате проведения многих исследований в 1834 году английский физикохимик Майкл Фарадей (в его честь названа единица измерения электрической емкости — фарада) вывел два закона, которые способны количественно описать процесс электролиза. Хотя сам факт разложения соединений под действием проходящего электричества через их растворы был открыт задолго до Фарадея. В 1800 году другой английский ученый Уильям Николсон установил экспериментально этот факт.

Заслуги Фарадея в исследовании электролиза огромны. Он ввел в физикохимию основные термины, которые до сих пор используются для описания этого процесса. Два закона ученого в современной формулировке представляются следующим образом:

Масса вещества, которая оседает на электроде в процессе электролиза, прямо пропорциональна количеству электричества, проходящему через рассматриваемый электрод. Под количеством электричества понимается заряд, который в системе СИ измеряется в кулонах.
Для постоянного количества электричества масса химического соединения, которая образуется в ходе электролиза на электроде, является прямо пропорциональной величиной эквиваленту этого вещества. Под эквивалентом полагается отношение молярной массы к количеству молей электронов, участвующих в реакции. Это число совпадает с валентностью элемента, например, для Al3+ оно равно 3, а для H+ составляет 1.

Математическая формула

Оба закона получены Фарадеем экспериментальным путем. Их словесные формулировки можно легко объединить и перевести на математический язык. Общее уравнение, которое удобно использовать при решении любых практических задач, принимает следующую форму:

m = (Q/F)*(M/z).

Здесь m — масса образующегося вещества на электроде, Q — заряд, прошедший через электрод в процессе реакции, F — коэффициент пропорциональности, который называют постоянной Фарадея, M — молярная масса вещества, участвующего в химической реакции, z — его валентность (безразмерное число).

Первый множитель этого уравнения математически отражает сформулированный первый закон Фарадея, соответственно, второй множитель является выражением пропорциональности массы вещества его эквиваленту (M/z).

Эту формулу можно преобразовать, если вспомнить из курса общей физики, что заряд вычисляется по формуле:

Q = I*t.

Здесь I — электрический ток в амперах, t — время его прохождения через электролит. Подставив это выражение в математический закон Фарадея, и преобразуя его, можно получить следующие формулы:

m = kIt = (I*t/F)*(M/z) ==>

n*z*F = I*t.

Значение постоянной F

Численное значение постоянной Фарадея составляет приблизительно 96500 Кл/моль. Физический смысл этой величины заключается в том, что она говорит, какое количество электричества необходимо пропустить через раствор, чтобы выделилось на электроде 1 моль одновалентного вещества.

Величина F тесно связана с постоянной Авогадро NA и с элементарным зарядом электрона e следующим выражением:

F = NA*e.

Эта формула в XIX веке была использована учеными для точного определения числа NA. Сам Фарадей определил постоянную, носящую его фамилию, благодаря изучению процесса электролиза серебряного раствора.

В настоящее время проводятся эксперименты с целью точного определения величины F (а значит, NA), чтобы ее использовать для переопределения единицы измерения массы — килограмма.

Пример решения задачи

Рассмотрим электролиз хлорида кальция в водном растворе. Химическая формула соединения CaCl2. В воде оно хорошо растворяется с образованием ионов Ca2+ и Cl-. Пусть через этот раствор пропустили постоянный ток 5 ампер в течение 2 часов. Необходимо определить массы газообразного хлора и твердого кальция, которые выделятся на аноде и катоде, соответственно.

Известные данные задачи позволяют без проведения промежуточных вычислений провести расчет по современной формуле Фарадея:

Для анода получается: 2*Cl- — 2*e = Cl2. m (Cl2) = (I*t/F)*(M/z) = (5*7200/96500)*(0,0355/1) = 13,2 грамма.
Для катода получается: Ca2+ + 2*e = Ca. m (Ca) = (I*t/F)*(M/z) = (5*7200/96500)*(0,040/2) = 7,5 грамма.

Для проведения расчетов использовались молярные массы химических элементов Ca и Cl из таблицы Д. И. Менделеева.

Таким образом, законы Майкла Фарадея являются универсальными для их практического применения к любым химическим веществам, которые участвуют в процессах электролиза. Они позволяют количественно выразить результаты реакций на электродах.

Первый закон

Если пропускать через раствор медного купороса электрический ток в течение определённого количества времени, то на катоде выделяется небольшое количество меди. Однако если пустить ток большей силы, за такое же количество времени на катоде образуется большее количество меди. При увеличении времени и одинаковой силе тока также увеличивается количество меди.

Рис. 1. Майкл Фарадей.

Фарадей установил взаимосвязь массы вещества, силы тока и времени. Математически эта взаимосвязь выражается следующим образом:

m = kIt,

где:

m – масса вещества;
k – электрохимический эквивалент;
I – сила тока;
t – время.

Электрохимический эквивалент – это масса вещества, образованная при прохождении через электролит тока в 1 А за одну секунду. Выражается как соотношение массы вещества к количеству электричества или г/Кл.

Произведение силы тока и времени выражает количество электричества: q = It. Это электрический заряд, измеряемый в кулонах (один ампер к одной секунде). Электрический заряд отражает способность тела быть источником электромагнитного поля и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Соответственно, уравнение Фарадея приобретает вид:

m = kq.

Рис. 2. Первый закон Фарадея.

Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электрического тока, пропущенного через электролит.

Катушка индуктивности. Параметры. Виды. Обозначение на схемах

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Катушка индуктивности относится к числу элементов, без которых не получится построить приемник, телевизор, радиоуправляемую модель, передатчик, генератор сигналов, модемный преобразователь, сетевой фильтр и т.п.

Катушку индуктивности или просто катушку можно представить в виде нескольких витков провода намотанного в спираль. Ток проходя по каждому витку спирали создает в них магнитное поле, которое пересекаясь с соседними витками наводит в них э.д.с самоиндукции. И чем провод длиннее и большее число витков он образует, тем самоиндукция больше.

Закон Фарадея и относительность

Два явления

Закон Фарадея представляет собой единое уравнение, описывающее два разных явления: ЭДС движения, создаваемую магнитной силой на движущемся проводе (см. ), и ЭДС трансформатора, создаваемую электрической силой из-за изменяющегося магнитного поля (описанную ).

Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на этот факт в своей статье 1861 года « О физических силовых линиях». Во второй половине Части II этой статьи Максвелл дает отдельное физическое объяснение каждому из двух явлений.. Ссылки на эти два аспекта электромагнитной индукции есть в некоторых современных учебниках

Как утверждает Ричард Фейнман:

Ссылки на эти два аспекта электромагнитной индукции есть в некоторых современных учебниках. Как утверждает Ричард Фейнман:

Объяснение на основе четырехмерного формализма

В общем случае объяснение возникновения двигательной ЭДС действием магнитной силы на заряды в движущемся проводе или в цепи, изменяющей его площадь, неудовлетворительно. На самом деле заряды в проводе или в цепи могут полностью отсутствовать, исчезнет ли тогда эффект электромагнитной индукции в этом случае? Данная ситуация анализируется в статье, в которой при записи интегральных уравнений электромагнитного поля в четырехмерной ковариантной форме в законе Фарадея вместо частной производной по времени появляется полная производная магнитного потока, проходящего через контур. . Таким образом, электромагнитная индукция возникает либо при изменении магнитного поля с течением времени, либо при изменении площади цепи. С физической точки зрения лучше говорить не об ЭДС индукции, а о напряженности индуцированного электрического поля , возникающего в цепи при изменении магнитного потока. В этом случае вклад в изменение магнитного поля вносится слагаемым , где — векторный потенциал. Если площадь контура изменяется в случае постоянного магнитного поля, то некоторая часть контура неизбежно движется, и электрическое поле возникает в этой части контура в сопутствующей системе отсчета K ‘в результате преобразования Лоренца магнитное поле , присутствующее в неподвижной системе отсчета K, которое проходит через контур. Наличие поля в K ‘считается результатом эффекта индукции в движущейся цепи, независимо от того, присутствуют ли в цепи заряды или нет. В проводящей цепи поле вызывает движение зарядов. В системе отсчета K это выглядит как появление ЭДС индукции , градиент которой , взятый по контуру, кажется, порождает поле .
E→знак равно-∇E-∂А→∂т{\ displaystyle {\ vec {E}} = — \ nabla {\ mathcal {E}} — {\ frac {\ partial {\ vec {A}}} {\ partial t}}}E→{\ displaystyle {\ vec {E}}}-∂А→∂т{\ displaystyle — {\ frac {\ partial {\ vec {A}}} {\ partial t}}}А→{\ displaystyle {\ vec {A}}}E→{\ displaystyle {\ vec {E}}}B→{\ displaystyle {\ vec {B}}}E→{\ displaystyle {\ vec {E}}}E→{\ displaystyle {\ vec {E}}}E{\ displaystyle {\ mathcal {E}}}-∇E{\ displaystyle — \ nabla {\ mathcal {E}}}E→{\ displaystyle {\ vec {E}}}

Взгляд Эйнштейна

Размышления об этой очевидной дихотомии были одним из основных путей, которые привели Альберта Эйнштейна к разработке специальной теории относительности :

Первый закон

Рис. 1. Майкл Фарадей.

m = kIt,

где:

m – масса вещества;
k – электрохимический эквивалент;
I – сила тока;
t – время.

Соответственно, уравнение Фарадея приобретает вид:

m = kq.

Рис. 2. Первый закон Фарадея.

Кажущиеся случаи отклонения от законов Фарадея

I закон Фарадея , базирующийся на атомистической природе вещества и электричества, является точным законом природы. Отклонений от него быть не может. Если на практике при расчетах наблюдаются отклонения от этого закона, то они всегда обусловлены неполным учетом процессов, сопутствующих основной электрохимической реакции. Например, при электролизе водного раствора NaCl в системе с платиновыми электродами и разделенными пористой диафрагмой анодным и катодным пространствами на катоде протекает реакция:

а на аноде: 2Cl — — 2ē = Cl2

Количество образующегося газообразного хлора всегда меньше, чем это следует по закону Фарадея из-за того, что Cl2растворяется в электролите и вступает в реакцию гидролиза:

Если учесть массу хлора, прореагировавшего с водой, получим результат, соответствующий рассчитанному по закону Фарадея.

Или при анодном растворении многих металлов параллельно идут два процесса – образование ионов нормальной валентности и так называемых субионов – т.е. ионов низшей валентности, например: Cu 0 — 2ē → Cu 2+ и

Cu- 1ē → Cu + . Поэтому расчет по закону Фарадея в предположении, что образуются только ионы высшей валентности, оказывается неправильным.

Часто на электроде протекает не одна электрохимическая реакция, а несколько самостоятельных параллельных реакций. Например, при выделении Zn из кислого раствора ZnSO4наряду с разрядом ионов Zn:

протекает реакция восстановления ионов гидроксония: 2Н3О + +2ē → Н2 + 2H2O.

Если на электроде протекает несколько параллельных электрохимических реакций, то I закон Фарадея будет справедлив для каждой из них.

Источник

На пути к мечте

Во время этих занятий будущий ученый проявил недюжинный интерес к науке, о чем узнал один из клиентов мастерской. Он помог попасть увлеченному юноше на лекции известнейшего в то время английского химика Гемфи Дэви, чьи высказывания Фарадей тщательно законспектировал. Впоследствии он переплел эти записи и направил их Дэви вместе с письмом. Это был смелый и отчаянный шаг Майкла, который Дэви не оценил. Однако через несколько дней во время проведения очередного эксперимента Гемфи травмировал глаз и ему срочно понадобился помощник. Тут как раз к месту оказалась просьба Фарадея о принятии на работу. Тем более что в это время он уволился из мастерской, так как работа в ней стала отвлекать от научной деятельности.

Ученый пригласил молодого человека ассистентом в Королевский институт. Вскоре Фарадей вместе со своим наставником отправился в поездку по научным центрам Старого Света. Двухгодичное путешествие было очень полезным – начинающий ученый познакомился со многими светилами науки, среди которых были М. Шеврель, Ж.Л. Гей-Люссак и другие. Они отметили большой талант молодого англичанина.

После возвращения на родину Майкл некоторое время поработал вместе с Дэви, а затем занялся самостоятельными исследованиями. К тому времени он успел стать полноценным ученым, опубликовавшим около 40 работ в области химии. В ходе проведенных экспериментов ему удалось провести сжижение хлора, а также получить бензол и аммиак. Фарадей открыл снотворный эффект паров эфира. В то же время он проводит эксперимент по выплавке стали с добавлением никеля, в результате чего были открыты свойства нержавеющей стали.

В 1820 году датский физик Г. Эрстед описал магнитное действие тока и это вызвало большой интерес Фарадея к изучению связи между электрическими и магнитными полями. Через год он создал прототип электродвигателя, наблюдая за вращением магнита вокруг проводника с током. Вскоре вышла его работа «История успехов электромагнетизма», в которой автор констатировал, что электрический ток способен превращаться в магнетизм.

Отношения с Дэви стали портиться и хотя оба за глаза говорили друг другу комплименты, а Гемфри вообще назвал своим лучшим достижением «открытие Фарадея», отчуждение нарастало. В 1824 году Майкла избрали членом Королевского общества, но против этого высказался именно Дэви.

Процесс электролиза

Чтобы ясно понять суть законов Фарадея, следует разобраться с процессом, для которого они применяются. Электролизом принято называть разложение соединений в их расплавах или растворах под действием проходящего электрического тока. Поскольку речь идет об электрохимическом процессе, то в его результате происходит два типа реакций: окисление и восстановление. Для их существования необходимо наличие двух электродов: катода и анода.

Два электрода

Если к отрицательной клемме электрической батареи присоединить электрод, то называться он будет катодом. Второй электрод, который подсоединяется к положительному полюсу батареи, — это анод. Оба слова имеют древнегреческие корни:

Catha означает «вниз». Здесь имеется в виду движение электронов в сторону уменьшения свободной энергии системы.
Anas — это «вверх».

Часто школьники и студенты путаются в знаке заряда этих электродов. Чтобы исключить ошибки, существует простой метод запоминания: катионы или положительные ионы вещества всегда движутся к катоду, то есть он является отрицательным электродом. В свою очередь, анионы или отрицательные ионы направляются под действием электрического поля к аниону, поэтому он является положительным.

Имеется еще один способ определения знака электродов. Поскольку на каждом из них проходит один из двух противоположных химических процессов (окисление или восстановление), то этот факт можно использовать таким образом:

«Анод» и «окисление» — оба слова начинаются с гласных букв. Поскольку этот процесс сопровождается отдачей электронов электроду, значит, последний является положительным.
«Катод» и «восстановление» — оба слова начинаются на букву согласную. Так как процесс восстановления сопровождается присоединением к иону электронов, значит, электрод должен их отдать, то есть он является носителем отрицательного заряда.

Окислительно-восстановительные реакции

Именно благодаря им происходит выделение или растворение веществ на электродах. Реакция окисления часто приводит к образованию пузырьков газов на аноде. Процессы же восстановления на катоде сопровождаются присоединением к катионам электронов и образованием твердых веществ из растворов и расплавов. Следует для ясности привести несколько примеров:

Водный раствор поваренной соли (NaCl). Если через него пропускать ток с использованием углеродных электродов, то к аноду (+) будут идти анионы Cl-, на нем они будут окисляться до атомарного хлора, который будет образовывать пузырьки газа ядовитого Cl2. Катионы Na+ будут двигаться и оседать на электроде-катоде (-). Получая от него недостающие электроны для строительства внешней оболочки, будут образовываться в результате реакции восстановления атомы щелочного металла Na.
Водный раствор медного купороса CuSO4. Здесь тип происходящих реакций будет зависеть от материала, из которого изготовлен электрод-анод. Реакция восстановления на катоде будет приводить к выделению меди на нем, однако, на аноде возможны разные варианты. Если этот электрод является платиновым, то на нем происходит выделение кислорода и образование H+ за счет окисления молекул H2O, а не анионов (SO4)2-. Если же анод будет медным, то происходит его собственное окисление и растворение.

Применение в промышленности

Практически все активные химические элементы не содержатся в природе в чистом виде. Ввиду этого применение электролиза является достаточно полезным методом для получения многих металлов и газов:

производство чистых алюминия, натрия, калия и магния;
получение концентрированных растворов щелочей и кислот;
производство водорода, например, с помощью разложения воды;
анодирование — покрытие изделий тонкой пленкой различных соединений для их защиты от коррозии.

Опыт с двумя катушками

Опыт с двумя катушками заключался в том, что по одной из них пропускали ток, к другой был подключен гальванометр. В момент начала или окончания пропускания тока по первой катушке стрелка гальванометра, подключенного ко второй, колебалась. Этот опыт Фарадея показывал, что не только магнетизм можно превратить в электричество, но и электричество в магнетизм. Переменный ток, пропускаемый через одну из двух расположенных близко друг к другу катушек, превращал ее в магнит, наводящий ток в соседней. Характеристики магнитного поля (полярность, интенсивность) зависели от силы пропускаемого тока.

На принципе взаимодействия катушек с переменным током работают современные трансформаторы, применяемые в электронике и электротехнике.

Применение явления

Значение закона Фарадея трудно недооценить, понимая, в каких целях он используется на практике. Вся электрическая промышленность построена на реализации открытия учёного. Одним из устройств использующего принцип возникновения ЭДС за счёт движения замкнутого проводника в магнитном поле является электрический генератор.

Его работа заключается в том, что если постоянный магнит перемещать относительно контура, то возникнет электродвижущая сила. Соответственно подключив проводник к нагрузке, можно получить ток. А это значит, что механическая энергия превратится в электрическую. При этом различают два принципиально разных механизма работы:

Индуцированный — вращение магнита, вокруг не изменяющего своё положение проводника. В этом случае электрическое поле двигает заряды через проводник.
Двигательный — магнит неподвижен, а проводник вращается. Появляется сила Лоренца, и магнитное поле толкает заряды.

Второе, но не менее важное устройство, электродвигатель. По сути, это генератор работающий «задом наперёд»

На заряд действует магнитная сила, вращающая диск в обратном направлении, определить которое можно по правилу левой руки. Если будут потери небольшие, например, связанные с трением или выделением тепла, то подключённый диск будет вращаться с такой скоростью, чтобы отношение dF / dt сравнялось с разностью потенциалов вызывающего ток.

На использовании ЭДС построена работа и трансформатора. Проходящий по первичным виткам переменный электрический ток приводит к возникновению магнитного поля. Последнее и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу. Если только концы катушки подключить к нагрузке, то через неё сразу же потечёт ток.

Ученые сделавшие открытия в области электричества

Если бы мы спросили, кто открыл электричество, то получили бы разные ответы из разных стран. То же самое произойдет, если мы спросим, кто создал двигатель внутреннего сгорания, электрический двигатель, телеграф, телефон, радио, телевизор или компьютер.

Это неудивительно, поскольку в ряде случаев приоритет изобретений, возникших почти одновременно в разных местах, был предметом долгих и сложных научных изысканий, а окончательные применения часто вызывали критику среди специалистов.

Вряд ли янтарь, натёртый комком шерсти и описанный древнегреческим математиком и философом Фалес Милетским в VII веке до н. э признается периодом открытия электричества. Только с 17 века происходит ряд открытий в области магнетизма и электричества.

Открытие электричества эволюционировало в течение длительного периода, что позволило выявить различные этапы.
Ученые занимавшиеся изучением электричества обеспечили то применение, нынешнюю структуру и эксплуатационные характеристики обусловленные электрическими зарядами сейчас.

Понятие об электролитах

Прежде чем говорить об уравнении Фарадея, следует изучить свойства веществ, которые называют электролитами. Определение в химии для них дается простое: это любые соединения, раствор или расплав которых способен проводить электрический ток.

Для существования направленного движения зарядов внутри какой-либо субстанции необходимо выполнение двух обязательных условий:

Наличие пространственной разницы потенциалов электрического поля внутри субстанции. Эта разница может создаваться за счет электрических батарей, например, внутри аккумуляторов. Ток должен быть постоянным, а не переменным.
Существования свободных заряженных частиц. Если раствор или расплав являются нейтральными, то они образованы как положительными (катионы), так и отрицательными (анионы) частицами. Важным моментом является их способность свободно перемещаться внутри субстанции при приложении к ней некоторой разницы потенциалов.

Дело в том, что дистиллированная (абсолютно чистая) вода не проводит электричество, однако, уже незначительное количество примесей в ней делает ее хорошим проводником. Поскольку она также является замечательным растворителем благодаря полярному строению ее молекул, то часто применяется для приготовления растворов электролитов.

Приложения

Принципы электромагнитной индукции применяются во многих устройствах и системах, в том числе:

Токовые клещи
Электрические генераторы
Электромагнитное формование
Графический планшет
эффект Холла метры
Индукционная готовка
Асинхронные двигатели
Индукционное уплотнение
Индукционная сварка
Индуктивная зарядка
Индукторы
Магнитные расходомеры
Фонарик с механическим приводом
Пикапы
Кольцо Rowland
Транскраниальная магнитная стимуляция
Трансформеры
Беспроводная передача энергии

Электрический генератор

Прямоугольная проволочная петля, вращающаяся с угловой скоростью ω в направленном радиально наружу магнитном поле B фиксированной величины. Цепь замыкается щетками, скользящими по контактам с верхним и нижним дисками, имеющими токопроводящие обода. Это упрощенная версия барабанный генератор.

ЭДС, создаваемая законом индукции Фарадея из-за относительного движения цепи и магнитного поля, является явлением, лежащим в основе электрические генераторы. Когда постоянный магнит перемещается относительно проводника, или наоборот, создается электродвижущая сила. Если провод подключен через электрическая нагрузка, ток будет течь, и, следовательно, электроэнергия генерируется, преобразуя механическую энергию движения в электрическую. Например, барабанный генератор основан на рисунке справа внизу. Другая реализация этой идеи — это Диск Фарадея, показанный в упрощенном виде справа.

В примере с диском Фарадея диск вращается в однородном магнитном поле, перпендикулярном диску, заставляя ток течь в радиальном плече из-за силы Лоренца. Чтобы управлять этим током, необходима механическая работа. Когда генерируемый ток течет через проводящий обод, магнитное поле создается этим током через Обходной закон Ампера (помечено на рисунке как «индуцированный B»). Обод, таким образом, становится электромагнит который сопротивляется вращению диска (пример Закон Ленца). На дальней стороне рисунка обратный ток течет от вращающегося рычага через дальнюю сторону обода к нижней щетке. B-поле, индуцированное этим обратным током, противостоит приложенному B-полю, стремясь к уменьшение поток через ту сторону цепи, противодействующий увеличение в потоке из-за вращения. На ближней стороне рисунка обратный ток течет от вращающегося рычага через ближнюю сторону обода к нижней щетке. Индуцированное B-поле увеличивается поток на этой стороне цепи, противодействующий уменьшение в потоке из-за вращения. Энергия, необходимая для поддержания движения диска, несмотря на эту реактивную силу, в точности равна произведенной электрической энергии (плюс энергия, потраченная впустую из-за трение, Джоулевое нагревание, и другие недостатки). Такое поведение характерно для всех генераторов, преобразующих механическая энергия к электрической энергии.

Электрический трансформатор

Когда электрический ток в петле из проволоки изменяется, изменяющийся ток создает изменяющееся магнитное поле. Второй провод, находящийся в зоне действия этого магнитного поля, будет испытывать это изменение магнитного поля как изменение связанного магнитного потока, d Φ_B / д т. Следовательно, электродвижущая сила создается во втором контуре, называемом наведенной ЭДС или ЭДС трансформатора. Если два конца этого контура соединить через электрическую нагрузку, ток будет течь.

Токовые клещи

Токовые клещи — это тип трансформатора с разъемным сердечником, который можно раздвинуть и закрепить на проводе или катушке для измерения тока в нем или, наоборот, для создания напряжения. В отличие от обычных инструментов, зажим не имеет электрического контакта с проводником и не требует его отключения во время крепления зажима.

Магнитный расходомер

Закон Фарадея используется для измерения расхода электропроводных жидкостей и шламов. Такие приборы называются магнитными расходомерами. Индуцированное напряжение ℇ, создаваемое в магнитном поле B из-за проводящей жидкости, движущейся со скоростью v таким образом дается:

E=−Bℓv,{ displaystyle { mathcal {E}} = — B ell v,}

где ℓ — расстояние между электродами в магнитном расходомере.