قوانين فاراداي في الكيمياء والفيزياء - شرح موجز في الكلمات البسيطة
قصة ديسكفري
تم اكتشاف قانون فاراداي في الديناميكا الكهربائية من قبل اثنين من العلماء: مايكل فاراداي وجوزيف هنري ، لكن فاراداي نشر نتائج عمله في وقت سابق - في عام 1831.
في تجاربه التوضيحية في أغسطس 1831 ، استخدم حيدًا حديديًا ، في النهايات المقابلة تم جرح سلك (سلك واحد لكل جانب). قام بتزويد الطاقة لنهايات السلك الأول من بطارية كلفانية ، وربط الجلفانومتر بأطراف الثانية. كان التصميم مشابهًا لمحول حديث. بشكل دوري عند تشغيل وإيقاف التيار الكهربائي على السلك الأول ، لاحظ ارتفاعات في الجلفانومتر.
الجلفانومتر أداة حساسة للغاية لقياس قوة التيارات الصغيرة.
وهكذا ، تم تصوير تأثير المجال المغناطيسي الناتج عن تدفق التيار في السلك الأول على حالة الموصل الثاني. تم نقل هذا التأثير من الأول إلى الثاني من خلال القلب - حيد معدني. نتيجة للبحث ، تم اكتشاف تأثير المغناطيس الدائم ، الذي يتحرك في الملف ، على لفه.
ثم أوضح فاراداي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي من حيث خطوط القوة. آخر كان التثبيت لتوليد التيار المباشر: قرص نحاسي يدور بالقرب من المغناطيس ، وكان السلك ينزلق على طوله جامعًا حاليًا. يسمى هذا الاختراع قرص فاراداي.
لم يتعرف العلماء في تلك الفترة على أفكار فاراداي ، لكن ماكسويل أخذ البحث على أساس نظريته المغناطيسية. في عام 1836 ، أنشأ مايكل فاراداي علاقات للعمليات الكهروكيميائية ، والتي كانت تسمى قوانين التحليل الكهربائي في فاراداي. يصف الأول نسب كتلة المادة المخصصة على القطب والتيار المتدفق ، ويصف الثاني نسب كتلة المادة في المحلول وكتلة المادة المعزولة على القطب لكمية معينة من الكهرباء.
الديناميكا الكهربائية
تُستخدم الأعمال الأولى في الفيزياء ، وتحديداً في وصف تشغيل الآلات والأجهزة الكهربائية (المحولات ، والمحركات ، وما إلى ذلك). ينص قانون فاراداي على:
بالنسبة للدائرة ، يتناسب EMF المستحث بشكل مباشر مع حجم سرعة التدفق المغناطيسي ، الذي يتحرك عبر هذه الدائرة بعلامة ناقص.
يمكن قول ذلك بكلمات بسيطة: كلما أسرع تدفق التدفق المغناطيسي عبر الدائرة ، زاد توليد emf في أطرافه.
الصيغة هي كما يلي:
هنا dF هو التدفق المغناطيسي ، و dt هي وحدة الزمن. من المعروف أن المشتق الأول هو السرعة.أي سرعة حركة التدفق المغناطيسي في هذه الحالة بالذات. بالمناسبة ، يمكن أن تتحرك ، مثل مصدر المجال المغناطيسي (ملف بتيار - مغناطيس كهربائي ، أو مغناطيس دائم) ، ودائرة.
هنا ، يمكن التعبير عن التدفق بالصيغة التالية:
B هو المجال المغناطيسي ، و dS هي مساحة السطح.
إذا اعتبرنا ملفًا بدورات ملفوفة بإحكام ، بينما في عدد المنعطفات N ، فإن قانون فاراداي هو على النحو التالي:
التدفق المغناطيسي في صيغة ثورة واحدة ، ويقاس في ويبر. يسمى التيار المتدفق في الدائرة بالحث.
الحث الكهرومغناطيسي هو ظاهرة تدفق التيار في دائرة مغلقة تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي.
في الصيغ أعلاه ، يمكنك ملاحظة علامات الوحدة ، بدونها لها مظهر مختلف قليلاً ، كما قيل في الصيغة الأولى ، مع علامة ناقص.
تشرح علامة الطرح قاعدة لينز. التيار الناشئ في الدائرة يخلق مجالًا مغناطيسيًا ، يتم توجيهه عكس ذلك. هذا نتيجة لقانون الحفاظ على الطاقة.
يمكن تحديد اتجاه تيار الحث بقاعدة اليد اليمنى أو مخرز، قمنا بفحصه على موقعنا بالتفصيل.
كما سبق ذكره ، وبسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي ، تعمل الآلات الكهربائية والمحولات والمولدات والمحركات. يوضح الرسم التوضيحي تدفق التيار في المحرك المتعرج تحت تأثير المجال المغناطيسي الثابت. في حالة المولد ، عندما يدور الدوار بواسطة قوى خارجية ، يظهر EMF في لفات الدوار ، يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا موجهًا في الاتجاه المعاكس (نفس علامة الطرح في الصيغة). كلما زاد التيار الذي يستهلكه حمل المولد ، زاد المجال المغناطيسي ، وكان دورانه أكثر صعوبة.
والعكس بالعكس - عندما يتدفق التيار في الدوار ، يظهر حقل يتفاعل مع الحقل الثابت ويبدأ الدوار في الدوران. مع وجود حمولة على العمود ، يرتفع التيار في الجزء الثابت وفي الدوار ، ومن الضروري ضمان تبديل اللفات ، ولكن هذا موضوع آخر يتعلق بترتيب الآلات الكهربائية.
في قلب عملية المحول ، يكون مصدر التدفق المغناطيسي المتحرك عبارة عن مجال مغناطيسي متناوب ينشأ عن تدفق التيار المتردد في اللفة الأولية.
إذا كنت ترغب في دراسة المشكلة بمزيد من التفصيل ، نوصي بمشاهدة فيديو يتم فيه وصف قانون فاراداي للتحريض الكهرومغناطيسي بسهولة ويسر:
التحليل الكهربائي
بالإضافة إلى البحث في EMF والتحريض الكهرومغناطيسي ، حقق العالم اكتشافات رائعة في تخصصات أخرى ، بما في ذلك الكيمياء.
عندما يتدفق التيار عبر المنحل بالكهرباء ، تبدأ الأيونات (الإيجابية والسلبية) في الاندفاع إلى الأقطاب الكهربائية. الانتقال السلبي إلى الأنود ، موجب إلى الكاثود. في نفس الوقت ، يتم تحرير كتلة معينة من المادة الموجودة في المنحل بالكهرباء على أحد الأقطاب الكهربائية.
أجرى فاراداي تجارب ، مررًا تيارًا مختلفًا من خلال المنحل بالكهرباء وقياس كتلة المادة المودعة على الأقطاب الكهربائية ، واستنتج الأنماط.
م = ك * س
m هي كتلة المادة ، q هي الشحنة ، و k يعتمد على تكوين المنحل بالكهرباء.
يمكن التعبير عن الرسم بالقيمة الحالية على مدار فترة زمنية:
I = ف / رثم س = ط * ر
الآن يمكنك تحديد كتلة المادة التي سيتم إطلاقها ، مع معرفة التيار والوقت الذي تدفقت فيه. يسمى هذا القانون الأول للتحليل الكهربائي في فاراداي.
القانون الثاني:
تتناسب كتلة العنصر الكيميائي التي تستقر على القطب بشكل مباشر مع الكتلة المكافئة للعنصر (الكتلة المولية مقسومة على عدد يعتمد على التفاعل الكيميائي الذي تتضمنه المادة).
بناءً على ما سبق ، يتم دمج هذه القوانين في الصيغة:
m هي كتلة المادة التي تم إطلاقها بالجرام ، n هو عدد الإلكترونات المنقولة في عملية القطب ، F = 986485 C / mol هو رقم فاراداي ، t هو الوقت بالثواني ، M هو الكتلة المولية للمادة g / mol.
في الواقع ، لأسباب مختلفة ، تكون كتلة المادة المحررة أقل من الكتلة المحسوبة (عند حساب التدفق الحالي). نسبة الكتل النظرية والحقيقية تسمى الكفاءة الحالية:
بر = 100٪ * مالحساب/ مالنظرية
وأخيرًا ، نوصي بإلقاء نظرة على شرح مفصل لقانون فاراداي للتحليل الكهربائي:
قدمت قوانين فاراداي مساهمة كبيرة في تطوير العلوم الحديثة ، بفضل عمله لدينا المحركات الكهربائية ومولدات الطاقة الكهربائية (وكذلك عمل أتباعه). أعطانا عمل EMF وظاهرة الحث الكهرومغناطيسي معظم المعدات الكهربائية الحديثة ، بما في ذلك مكبرات الصوت والميكروفونات ، والتي بدونها من المستحيل الاستماع إلى التسجيلات والاتصالات الصوتية. يتم استخدام عمليات التحليل الكهربائي في الطريقة الجلفانية لمواد الطلاء ، والتي تحمل قيمة زخرفية وقيمة عملية.
مواد مماثلة:
جار التحميل ...
