Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Закон Фарадея — фундамент электротехники и электрохимии. Закон электромагнитной индукции (1831) описывает возникновение ЭДС при изменении магнитного потока и лежит в основе работы трансформаторов, генераторов и электродвигателей. Законы электролиза (1833) связывают массу вещества на электроде с прошедшим зарядом. Ниже разберём оба закона с формулами, примерами расчёта и практическими применениями.
В 1831 году английский учёный Майкл Фарадей (1791–1867) экспериментально показал, что изменяющийся магнитный поток через контур наводит в нём электродвижущую силу. Независимо тот же эффект обнаружил американский физик Джозеф Генри.
ЭДС = −dΨ/dt = −N · dΦ/dt
где Ψ = N·Φ — потокосцепление (Вб); N — число витков; Φ — магнитный поток через один виток (Вб); t — время (с).
Знак «минус» отражает правило Ленца (1834): индуцированный ток направлен так, чтобы создаваемое им магнитное поле противодействовало изменению потока, вызвавшего этот ток. Закон индукции входит в систему уравнений Максвелла как одно из четырёх фундаментальных уравнений электродинамики.
Для синусоидального потока Φ = Φ_max · sin(2πft) действующее значение ЭДС одной обмотки равно:
E = 4,44 · f · N · Φ_max
где коэффициент 4,44 = 2π/√2; f — частота (Гц); N — число витков; Φ_max — амплитуда магнитного потока (Вб).
Эта формула — основа проектирования силовых и измерительных трансформаторов. Она связывает напряжение обмотки с частотой, числом витков и магнитным потоком в сердечнике.
В 1833 году Фарадей опубликовал количественные законы электролиза, связывающие массу выделенного на электроде вещества с электрическим зарядом.
Масса вещества, выделенного на электроде, прямо пропорциональна количеству прошедшего заряда: m = k · I · t, где k — электрохимический эквивалент (г/Кл), I — ток (А), t — время (с).
Электрохимические эквиваленты различных веществ пропорциональны их молярным массам, делённым на валентность ионов. Объединённая формула:
m = (M · I · t) / (z · F)
где M — молярная масса (г/моль); z — число электронов на ион; F = 96 485 Кл/моль — постоянная Фарадея (заряд одного моля электронов, CODATA).
Дано: меднение детали. Раствор CuSO₄, ток I = 5 А, время t = 1 ч = 3600 с. M(Cu) = 63,55 г/моль, z = 2 (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu).
m = (63,55 × 5 × 3600) / (2 × 96 485)
m = 1 143 900 / 192 970 = 5,93 г
На практике масса осадка будет меньше из-за побочных реакций. Отношение реально осаждённой массы к теоретической называют выходом по току (обычно 95–98 % для кислых медных электролитов).
Закон Фарадея объединяет две фундаментальные области: электромагнитную индукцию (ЭДС = −dΨ/dt) и электролиз (m = M·I·t/(z·F)). Закон индукции — основа всей электроэнергетики: трансформаторов, генераторов, двигателей. Закон электролиза — количественная база гальваники, рафинирования металлов и электрохимической защиты от коррозии. Оба закона связаны через общую величину — электрический заряд, который либо создаёт изменяющееся поле, либо переносит вещество на электрод.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.