Перший закон фарадея. ЕРС індукції у провіднику

Між масою перетвореного при електролізі речовини і кількістю електрики, що пройшла через електроліт, існує зв'язок, який знаходить відображення в двох законах Фарадея.

I закон Фарадея. Для будь-якого даного електродного процесу маса перетвореної речовини прямо пропорційна кількості електрики, що пройшла через електроліт:

m = kQ,(2.10)

де m- Маса перетвореної речовини, г; Q- кількість електрики (Кл), що дорівнює добутку сили струму ( I, А) на час ( t, с); k -електрохімічний еквівалент речовини, що виражає число грамів його, перетворене одним кулоном електрики.

II закон Фарадея. При пропущенні рівної кількості електрики через розчини різних електролітів маса кожної з речовин, що зазнають перетворення, пропорційна його хімічному еквіваленту. 1:т 2:m 3 ... = mе1: mе2: mе3 …(де mе-еквівалентна маса речовини). Якщо маса однієї з перетворених речовин при проходженні певної кількості електрики дорівнювала його еквівалентній масі ( т 1 =mе1) , то і для інших речовин виявляться справедливими рівності m 2 = mе2 , m 3 = m е3 тощо.

Таким чином, для перетворення однієї еквівалентної маси будь-якої речовини потрібна одна і та ж кількість електрики, звана постійною Фарадея F(96494 Кл/моль). Постійна Фарадея - це заряд, який несе на собі один моль електронів або один моль однозарядних іонів (тобто 6,02 1023 електронів або однозарядних іонів).

Другий закон Фарадея можна також записати у такій редакції: для розряду одного моль іонів на електроді через розчин необхідно пропустити стільки фарадеїв електрики, скільки елементарних зарядів має цей іон.

На підставі II закону Фарадея можна написати

k = mе. / F.(2.11)

Зі співвідношень (2.10) і (2.11) випливає об'єднане рівняння законів Фарадея:

m =(mе. / F)Q =(mе. / F)It.(2.12)

Їм широко використовують для різних розрахунків в електрохімії. Зокрема, на законах Фарадея заснований найточніший спосіб виміру кількості електрики, що пройшов через ланцюг. Він полягає у визначенні маси речовини, що виділився при електролізі на електроді. Для цього є прилади, звані кулонометрами. У лабораторній практиці використовується мідний кулонометр, в якому електроліз піддається підкислений розчин CuSO 4 з мідними електродами. Важливо, щоб у кулонометрі на електроді відбувалася лише одна електрохімічна реакція, і отриманий продукт був доступний точного кількісного визначення. Наприклад, вся кількість електрики, що проходить через мідний кулонометр, витрачається на перенесення міді з анода на катод, де її маса визначається гравіметричним методом.

У дослідницьких цілях користуються срібним кулонометром або газовим, в якому вимірюють обсяг суміші (2Н 2 + 2), отриманої електролізом водного розчину КОН.

Використання кулонометрів дає можливість визначити частку корисно витраченого струму (тобто струму, витраченого отримання корисного продукту), яка характеризується виходом по струму. Вихід струмом - це ставлення фактично отриманого при електролізі речовини до теоретично розрахованого. Зазвичай вихід струмом ηвиражається у відсотках. Тоді:

η = ( mпракт / mтеорет) 100%. (2.13)

Можна по-іншому підійти до розрахунку η. Якщо за фактично виділеною масою речовини визначити на основі (2.12) кількість корисно витраченої електрики Q' то η висловиться як ставлення корисної електрики до її загальної кількості, що пройшла через ланцюг:

η = ( Q’/Q)100%. (2.14)

Закони Фарадея затвердили уявлення про атомістичну природу електрики. Ці уявлення лягли основою розрахунку найважливішої константи - постійної Авогадро. Зв'язок між постійним Фарадея F,Аво-гадро Nа і зарядом електрона евипливає із співвідношення:

F/e = N A (2.15)

Застосування електролізу.Електроліз з розчинним анодом застосовується для очищення металів ( електрорафінування). При електрорафінуванні міді в електролізер поміщають як анод пластини з міді, що очищається (катод - пластини з електролітично раніше очищеної міді). На аноді та катоді проходять процеси відповідно:

Сu (забруднена) - 2 ē = Сu 2+ ,

Сu 2+ + 2 ē = Су (чиста).

При електрорафінуванні міді забруднення з більш благородних металів типу Ag або Аu розчин не переходять і збираються на дні електролізера. Забруднення з менш благородних металів типу Pb, Fe, Zn, як і сама мідь, переходять у розчин, але на катоді не осаджуються і тому не забруднюють мідь, що облягається на ньому. Як розчинні аноди можуть бути крім міді нікель, кадмій, алюміній та інші метали.

Електроліз з розчинним анодом використовується в гальванотехніці для покриттів одних металів тонкими шарами інших ( гальваностегія). При цьому вироби, що покриваються металом, є при електролізі катодом, а в якості анода використовується метал покриття. Технологічно це дуже зручно, оскільки концентрації іонів (солів) в електролізному розчині не змінюються. Електрохімічно наносять декоративні покриття, корозійностійкі, що зміцнюють поверхню (хромування). За допомогою покриттів відновлюють розміри деталей (ремонт). Щоб покриття міцно утримувалося, поверхню металу перед нанесенням покриття ретельно очищають (шліфують, полірують) та знежирюють (обробляють гарячим розчином соди, протирають крейдою у суміші зі лугом тощо). Для видалення оксидів поверхню металу протруюють 15...20% розчином сірчаної кислоти 10...15 хв. Для остаточного видалення плівки оксиду деталь очищають декапіруваннямпідключаючи перед гальванізацією на короткий час до анода. Найкраще зчеплення покриття з поверхнею металу спостерігається для дрібнокристалічних покриттів. Необхідної структури покриття досягають, змінюючи склад електроліту і режим електролізу:---------

Основи > Завдання та відповіді

Електроліз. Закони Фарадея

1 Знайти електрохімічний еквівалент натрію. Молярна маса натрію m = 0,023 кг/моль, його валентність z=1. Постійна Фарадея

Рішення:

2 Цинковий анод маси m = 5 г поставлений в електролітичну ванну, якою проходить струм I =2 А. Через який час t анод повністю витрачено на покриття металевих виробів? Електрохімічний еквівалент цинку

Рішення:

3 Знайти постійну Фарадея, якщо при проходженні через електролітичну ванну заряду q = 7348 Кл на катоді виділилася маса золота m = 5 г. Хімічний еквівалент золота А = 0,066 кг/моль.

Рішення:
Відповідно до об'єднаного закону Фарадея

звідси

4 Знайти елементарний електричний заряд, якщо маса речовини, чисельно рівна хімічному еквіваленту, містить N o =N A /z атомів чи молекул.

Рішення:
Іони в розчині електроліту несуть у собі число елементарних зарядів, рівне валентності z. При виділенні маси речовини, чисельно рівної його хімічному еквіваленту, через розчин проходить заряд, чисельно рівний постійної Фарадея, тобто.

Отже, елементарний заряд

5 Молярна маса срібла m 1 =0,108 кг/моль, його валентність z 1 = 1 та електрохімічний еквівалент. Знайти електрохімічний еквівалент золота к2, якщо молярна маса золота m 2 = 0,197 кг/моль, його валентність z2 = 3.

Рішення:
За другим законом Фарадея маємо

звідси електрохімічний еквівалент золота

6 Знайти маси речовин, що виділилися за час t =10ч на катодах трьох електролітичних ванн, включених послідовно в мережу постійного струму. Аноди у ваннах - мідний, нікелевий та срібний - опущені відповідно до розчинів CuS O 4, NiS0 4 та AgN0 3 . Щільність струму при електролізі j =40 А/м2, площа катода у кожній ванні S = 500 см. Електрохімічні еквіваленти міді, нікелю та срібла

Рішення:
Струм у ваннах I=jS. За першим законом Фарадея маси речовин, що виділилися при електролізі речовин

7 При нікелюванні виробів протягом часу t = 2 год відклався шар нікелю товщини l =0,03 мм.
Знайти густину струму при електролізі. Електрохімічний еквівалент нікелю, його щільність

Рішення:

8 Амперметр, включений послідовно з електролітичною ванною, показує струм Io = 1,5А. Яку поправку треба внести на показання амперметра, якщо за час t =10хв на катоді відклалася маса міді m = 0,316 р? Електрохімічний еквівалент міді.

Рішення:
За першим законом Фарадея m = kI t , де I-струм у ланцюгу; звідси I = m/k t =1,6 А, тобто. на показання амперметра треба внести поправку

9 Бажаючи перевірити правильність показань вольтметра, його підключили паралельно до резистора з відомим опором R = 30 Ом. Послідовно до загального ланцюга включили електролітичну ванну, в якій ведеться електроліз срібла. За час t =5 хв у цій ванні виділилася маса срібла m = 55,6 мг. Вольтметр показував напругу Vo = 6 В. Знайти різницю між показанням вольтметра і точним значенням падіння напруги на резисторі. Електрохімічний еквівалент срібла.

Рішення:
За першим законом Фарадея m = kl t , де I-струм у ланцюгу. Точне значення падіння напруги на опорі V = IR = mR/k t = 4,91 В. Різниця між показанням вольтметра та точним значенням падіння напруги

10 Для сріблення ложок через розчин солі срібла протягом часу t =5 год пропускається струм I = 1,8 А. Катодом служать n =12 ложок, кожна з яких має площу поверхні S = 50 см2. Який шар срібла відкладеться на ложках? Молярна маса срібла m = 0,108 кг/моль, його валентність z= 1 і щільність .

Рішення:
Товщина шару

11 Дві електролітичні ванни послідовно включені. У першій ванні знаходиться розчин хлористого заліза (FeCl 2 ), у другій - розчин хлорного заліза (FeCl 3 ). Знайти маси заліза, що виділився на катодах і хлору на анодах в кожній ванні при проходженні через ванну заряду. Молярні маси заліза та хлору.

Рішення:
У першій ванні залізо двовалентне (z1 = 2), у другій - тривалентно (z2 = 3). Тому при проходженні через розчини однакових зарядів виділяються різні маси заліза на катодах: у першій ванні

у другій ванні

Оскільки валентність атомів хлору z=1, то на аноді кожної ванни виділяється маса хлору

12 При електролізі розчину сірчаної кислоти (CuS O 4 ) Витрачається потужність N = 37 Вт. Знайти опір електроліту, якщо за час t = 50 хв виділяється маса водню m = 0,3 г. Молярна маса водню m = 0,001 кг/моль, його валентність z= 1 .

Рішення:

13 При електролітичному способі одержання нікелю на одиницю маси витрачається W m = 10 кВт год ч/кг електроенергії. Електрохімічний еквівалент нікелю. За якої напруги виробляється електроліз?

Рішення:

14 Знайти масу міді, що виділилася, якщо для її отримання електролітичним способом витрачено W= 5 кВтЧ год електроенергії. Електроліз проводиться при напрузі V =10, к.п.д. установки h = 75%. Електрохімічний еквівалент міді.

Рішення:
К.п.д. установки

де q-заряд, що пройшов через ванну. Маса міді, що виділилася m=kq; звідси

15 Який заряд проходить через розчин сірчаної кислоти (CuS O 4) за час t =10с, якщо струм цей час поступово зростає від I 1 = 0 до I 2 = 4А? Яка маса міді виділяється у своїй на катоді? Електрохімічний еквівалент міді.

Рішення:
Середній струм

Заряд, що протік через розчин,

Знаходження заряду графічним шляхом показано на рис. 369. На графіку залежності струму від часу заштрихована площа чисельно дорівнює заряду. Маса міді, що виділилася на катоді,

16 При рафінуванні міді за допомогою електролізу до послідовно включених електролітичних ванн, що мають загальний опір R = 0,5 Ом, підведено напругу V = 10 В. Знайти масу чистої міді, що виділилася на катодах ванни за час t =10ч. Е.Д.С. поляризації e = 6 В. Електрохімічний еквівалент міді.

Рішення:

17 При електролізі води через електролітичну ванну протягом часу t = 25 хв йшов струм I =20 А. Яка температура t кисню, що виділився, якщо він знаходиться в об'ємі V= 1 л під тиском р = 0,2 МПа? Молярна маса води m =0,018 кг/моль. Електрохімічний еквівалент кисню.

Рішення:

де R = 8,31 Дж/(мол К)-газова постійна.

18 При електролітичному способі одержання алюмінію на одиницю маси витрачається W 1 m = 50 кВт год ч/кг електроенергії. Електроліз проводиться при напрузі V1 = 1 6,2 В. Якою буде витрата електроенергії W 2m на одиницю маси при напрузі V2 = 8, 1 У?
Рішення:

Електроліти

Визначення 1

Явище виділення електричним струмом хімічних складових частин провідника під час проходження струму називається електролізом.

Електроліз може протікати не у всіх провідниках. До провідників, у яких електроліз не протікає, відносять метали, вугілля та інші сполуки (Це провідники першого роду). Провідники, у яких можливий електроліз, називають провідниками другого роду або електролітами. До електролітів відносять велику кількість водних розчинів кислот, солей, деякі рідкі та тверді сполуки.

Явище електролізу часто супроводжується хімічними реакціями (вторинні реакції), які пов'язані з проходженням струму. У ході електролізу на негативному полюсі (катоді) завжди виділяються метали та водень, на позитивному полюсі (аноді) - залишок хімічної сполуки. Складові електроліту виділяються тільки на електродах. Явище виділення складових частин електроліту на електродах під час проходження електричного струму було досліджено М. Фарадеєм.

Закони електролізу Фарадея не варто плутати із законом електромагнітної індукції Фарадея, що розглядає електричний контур та сили в ньому. У цьому законі йдеться про залежність ЕРС від швидкості зміни магнітного потоку.

Явище електролізу відбиває той факт, що молекули розчиненої речовини в електроліті існують як дві частини: іон з позитивним знаком та іон з негативним знаком. Під впливом зовнішнього електричного поля ці іони рухаються: позитивні іони у бік катода, негативні іони убік анода. Таким чином, коли негативний іон досягне анода, він віддає свій заряд електроду, що веде до зміни його заряду. Отже, кілька електронів проходять із зовнішнього ланцюга. Іон стає нейтральним і виділяється на аноді як атом або молекула. Позитивний іон забирає у катода деяку кількість електронів (стільки, скільки йому потрібно для нейтралізації), що породжує його виділення на катоді.

Зауваження 1

Іони, знак заряду у яких негативний, виділяються на аноді, вони були названі Фарадеєм аніонами, а позитивно заряджені іони отримали назву катіонів.

Закони Фарадея

Фарадей встановив експериментальним шляхом два основні закони електролізу. Відповідно до першого закону, маса речовини $(m)$, яка виділяється на одному з електродів, прямо пропорційна заряду $(q)$, який пройшов через електроліт:

$ m = Kq \ left (1 \ right), $

де $K$ - електрохімічний еквівалент, який відрізняється різними електролітів. $K$ дорівнює масі електроліту, що виділяється під час проходження заряду $q=1Kл$. Основною одиницею виміру електрохімічного коефіцієнта є $\frac(кг)(Кл)$.

Крім того, Фарадей зауважив, що електрохімічний еквівалент завжди пропорційний молярній масі речовини ($\mu$) і обернено пропорційний валентності $(Z)$. Відношення $\frac(\mu )(Z)$ називають хімічним еквівалентом речовини.

Відповідно до другого закону Фарадея: електрохімічний еквівалент прямо пропорційний хімічному еквіваленту для обраної речовини:

$K=\frac(C\mu )(Z)=\frac(\mu )(FZ)\left(2\right),$, де:

• $C=\frac(1)(F)$ - величина стала для всіх речовин,
• $F$ - постійна Фарадея.

Перший і другий закони електролізу Фарадея часто виражають однією формулою, а саме:

$m=\frac(\mu )(Z)\frac(q)(F)\left(3\right).$

Емпіричним шляхом отримано, що СІ $F=9,65(cdot 10)^4\frac(Кл)(моль)$ - фундаментальна фізична постійна, що відображає відношення електрохімічних і фізичних властивостей речовини. Причому відомо, що:

$F=q_eN_A\left(4\right),$ де:

• $q_e$ - заряд електрона,
• $N_A$ - постійна Авогадро.

Пояснити закони Фарадея можна з погляду іонної провідності. Припустимо, що кількість іонів, що виділяється на одному з електродів при електролізі, дорівнює $\nu $, заряд одного з іонів дорівнює $q_1$. Отже, сумарний заряд, який пройшов через електроліт, на який діяло зовнішнє електричне поле, дорівнює:

$q=q_1\nu \left(5\right).$

Нехай маса одного іона дорівнює $m_1$, тоді маса речовини, що виділяється на електроді, дорівнює:

$m=m_1\nu \left(6\right).$

Виразимо з (5) $\nu $, отримаємо:

$\nu =\frac(q)(q_1)\left(7\right).$

Підставимо (7) у (6), маємо:

$m=\frac(m_1)(q_1)q\left(8\right).$

Вираз (8) не що інше як перший закон Фарадея, де:

$K=\frac(m_1)(q_1)=\frac(m_1N_A)(q_1N_A)=\frac(\mu )(q_1N_A)\left(9\right).$

Порівняємо вирази (2) і (9), отримаємо, що:

$q_1=\frac(ZF)(N_A)\left(10\right).$

У виразі (10) ми одержали, що заряд іона в електроліті пропорційний валентності речовини $(Z)$. Цей результат показує, що величини електричних зарядів іонів є кратними між собою. Мінімальний заряд, що дорівнює заряду електрона, мають іони одновалентних речовин.

Приклад 1

Завдання:Знайдіть швидкість $v,$ з якою збільшується шар речовини, що є провідником другого роду на плоскій поверхні електрода в процесі електролізу при проходженні струму, щільність якого дорівнює $j$. Вважати, що електроліт має валентність рівну $Z$, щільність $rho, молярну масу mu.

Рішення:

Як основу розв'язання задачі застосуємо об'єднаний закон Фарадея:

$m=\frac(\mu )(Z)\frac(q)(F)\left(1.1\right),$

де $q=It$, $I$ - сила струму, поточного через електроліт, $t$ - час, який струм. Якщо вважати, що осадження нікелю йде рівномірно по поверхні металу, то масу речовини, що виділилася, запишемо як:

$ m = \ rho Sh \ \ left (1.2 \ right), $

де $\rho$ - густина нікелю, $S$ - площа поверхні металу, $h$ - товщина шару нікелю. Силу струму виразимо через його щільність:

$I=jS\left(1.3\right).$

Підставимо у вираз (1.1) силу струму з (1.3) і масу з (1.2), отримаємо:

$\rho Sh=\frac(\mu)(Z)\frac(jSt)(F)\to \rho h=\frac(\mu)(Z)\frac(jt)(F)\left(1.4\) right).$

У разі, якщо щільність струму стала, то швидкість ($v=\frac(h)(t)$) збільшення шару нікелю так само стала. Розділимо обидві частини виразу (1.4) на якийсь час, маємо:

$\rho \frac(h)(t)=\frac(\mu )(Z)\frac(j)(F)\to v=\frac(\mu )(Z)\frac(j)(\rho F).$

Відповідь: $v=\frac(\mu )(Z)\frac(j)(\rho F).$

Приклад 2

Завдання:Через розчин електроліту струм силою $I$ тек протягом часу $t$. Яка кількість речовини $(\nu)$ виділиться на катоді, яке число атомів $(N)$ речовини у своїй, якщо метал має валентність $Z$.

Рішення:

За основу розв'язання задачі ухвалимо об'єднаний закон Фарадея:

$m=\frac(\mu )(Z)\frac(q)(F)\left(2.1\right),$

де $q=It$, $I$ - сила струму, поточного через електроліт, $t$ - час, який струм. При цьому нам відомо, що:

$\nu =\frac(m)(\mu )\left(2.2\right).$

Розділимо праву та ліву частини виразу (2.1) на молярну масу ($\mu$) речовини електроліту, отримаємо:

$\nu =\frac(1)(Z)\frac(q)(F)=\frac(It)(ZF)\left(2.3\right),$

де $q=It.$ Кількість атомів осаду знайдемо, використовуючи формулу:

$N=\nu \cdot N_A=\frac(It)(ZF)N_A.$

Відповідь: $\nu =\frac(It)(ZF),\N=\frac(It)(ZF)N_A.$

Електричний струм, що проходить через розчини електролітів, сприяє розкладанню речовин та дає можливість отримувати хімічно чисті матеріали. Цей процес отримав найменування електролізу, що знайшов широке застосування у промисловому виробництві. Фізичні перетворення провідників, що у рідини, пояснює закон Фарадея для електролізу, виходячи з якого анод виконує функцію позитивного електрода, а катод - негативного.

За допомогою цього явища здійснюється не тільки очищення металів від домішок, але й виконується нанесення тонких покриттів, що захищають та прикрашають металеві поверхні.

Суть процесу електролізу

Електролізом називаються процеси окислювально-відновних реакцій, що протікають під примусовим впливом електричного струму. Для виконання використовується спеціальна ємність з електролітичним розчином, куди занурюються металеві штирі, з'єднані із зовнішнім джерелом живлення.

Електрод, з'єднаний із полюсом негативного значення джерела струму, вважається катодом. Саме на цьому місці частки електроліту відновлюються. Інший електрод підключається до плюсового полюса і зветься анода. На цій ділянці речовина електрода або частинки електроліту окислюються. Хімічні реакції на цій ділянці відбуваються по-різному, залежно від матеріалу анода та складу електролітичного розчину. Тому, як стверджує хімія, електроди стосовно електроліту можуть бути інертними або розчинними.

До категорії інертних відносяться аноди, виготовлені з матеріалу, що не окислюється під час електролізу. Як приклад можна навести графітові чи платинові електроди. Розчинними є майже всі інші види металевих анодів, схильних до окислення в ході електролітичної реакції.

Електролітами найчастіше служать різні види розчинів чи розплавів, у яких відбувається хаотичний рух заряджених частинок - іонів. Коли ними впливає електричний струм, вони починають рухатися у напрямі: катіони - до катоду, аніони - до анода. Потрапляючи на електроди, вони втрачають свої заряди та осідають на них.

Таким чином, на катоді та аноді відбувається накопичення про сумарних продуктів, що складаються з електрично нейтральних речовин. Весь процес електролізу виконується під напругою, що подається на електроди. Дана напруга U ел-за є типовим прикладом, яка потрібна для забезпечення нормального перебігу електролітичних реакцій. Чисто теоретично ця напруга набуває вигляду формули: U ел-за = Е а - Е к, в якій Е а і Е к є потенціалами хімічних реакцій, що відбуваються на аноді та катоді.

Існує певний зв'язок між кількістю електрики, що протікав через розчин, і кількістю речовини, виділеної в період електролітичної реакції. Дане явище було описано англійським фізиком Фарадеєм та оформлено у вигляді двох законів.

Перший закон Фарадея

Цей закон було виведено вченим експериментальним шляхом. Він визначає пропорційну залежність між масою речовини, що утворюється на електроді та зарядом, що проходить через електролітичний розчин.

Цю пропорцію наочно відображає формула m = k x Q = k x I x t, де k є коефіцієнтом пропорційності або електрохімічним еквівалентом, Q - заряд, що пройшов через електроліт, t - час проходження заряду, m - маса речовини, що утворилася на електроді в результаті реакції.

Перший закон Фарадея служить визначення кількості первинних продуктів, що утворилися в процесі електролізу на електродах. Маса цієї речовини складає сумарну масу всіх іонів, що потрапили на електрод. Це підтверджується формулою m=m0 x N = m0 x Qq0 = m0q0 x I x t, у якій m0 і q0 відповідно є масою і зарядом одиничного іона. N=Qq0 - визначає кількість іонів, що потрапили на електрод під час проходження заряду Q через розчин електроліту.

Отже, величина електрохімічного еквівалента k являє собою співвідношення маси іона m0 речовини, що використовується, і заряду q0 цього іона. Відомо, що величина заряду іона становить добуток валентності n цієї речовини та елементарного заряду е, тобто q0 = n х e. Виходячи з цього, електрохімічний еквівалент k виглядатиме таким чином: k = m0q0 = m0 х NAn х e х NA = 1F х μn. У цій формулі NA є постійною Авогадро, - молярною масою даної речовини. F = e х NA є постійною Фарадея і становить 96 485 Кл/моль.

Числове значення даної величини дорівнює заряду, який повинен бути пропущений через розчин електроліту, щоб на електроді виділився 1 моль речовини з однаковою валентністю. Розглянутий закон Фарадея для електролізу набуде вигляду ще однієї формули: m = 1F х μn х I х t.

Другий закон Фарадея

Наступний закон вченого Фарадея описує, як електрохімічний еквівалент залежатиме від атомної маси речовини та її валентності. Цей коефіцієнт матиме пряму пропорційну залежність з атомною вагою і обернено пропорційну - з валентністю речовини. З введенням даної величини другий закон Фарадея формулюється як пропорція електрохімічних еквівалентів речовини та власних хімічних еквівалентів цих речовин.

Якщо значення електрохімічних еквівалентів взяти за k1, k2, k3…kn, а хімічні еквіваленти прийняти за х1, х2, х3…xn, то k1/x1 = k2/x2 = k3/x3…kn/xn. Дане співвідношення є постійною величиною, однаковою для будь-яких використовуваних речовин: = k/x і становить 0,01036 мг-екв/к. Саме така кількість речовини в міліграм-еквівалентах виділяється на електродах за період проходження в електроліті електричного заряду, що дорівнює одному кулону.

Отже, другий закон Фарадея можна подати у вигляді формули: k = cx. Якщо цей вираз використовувати разом з першим законом Фарадея, то в результаті вийде наступне вираз: m = kq = cxq = cxlt. Тут категорія з являє собою універсальну постійну, у розмірі 0,00001036 г-екв/к. Подібне формулювання дає можливість зрозуміти, що одні й самі струми, пропущені через однаковий проміжок часу у двох різних електролітах, виділять із них речовини з дотриманням розглянутого хімічного еквівалента.

Оскільки x = A/n, то маса речовини буде виглядати як m = cA/nlt, з дотриманням прямої пропорції з атомною вагою і зворотної пропорції з валентністю.

Електрика має здатність генерувати магнітне поле. В 1831 М. Фарадей ввів поняття електромагнітна індукція. Він зміг отримати у закритій системі провідників електрику, що з'являється за зміни показників магнітного потоку. Формула закону Фарадея дала поштовх у розвиток електродинаміки.

Історія розвитку

Після доказу закону електромагнітної індукції англійським ученим М. Фарадеєм над відкриттям працювали російські вчені Е. Ленц та Б. Якобі. Завдяки їхнім працям сьогодні розроблений принцип покладено в основу функціонування багатьох приладів і механізмів.

Основними агрегатами, в яких застосовується закон електромагнітної індукції Фарадея, є двигун, трансформатор та багато інших приладів.

Індукцією електромагнітно називається індукування в замкненій провідній системі електричного струму. Таке явище стає можливим під час фізичного пересування через провідникову систему магнітного поля. Механічна дія спричиняє появу електрики. Його прийнято називати індукційним. До відкриття закону Фарадея людство не знало про інші способи створення електрики, крім гальваніки.

Якщо крізь провідник пропустити магнітне поле, у ньому виникатиме ЕРС індукції. Її ще називають електрорушійною силою. За допомогою цього відкриття вдається у кількісному вираженні показник.

Досвідчений доказ

Проводячи свої дослідження, англійський вчений встановив, що індукційний струм виходить одним із двох способів. У першому досвіді він з'являється при русі рамки в магнітному полі, що створюється нерухомою котушкою. Другий спосіб передбачає нерухоме положення рамки. У цьому експерименті змінюється лише поле котушки під час її руху чи зміні сили струму у ній.

Досліди Фарадея дослідника привели до висновку, що при генеруванні індукційного струму провокується збільшенням або зменшенням магнітного потоку в системі. Також досліди Фарадея дозволили стверджувати, що значення електрики, отриманої дослідним шляхом, не залежить від методології, якою змінено потік магнітної індукції. На показник впливає лише швидкість такої зміни.

Кількісний вираз

Встановити кількісне значення явища електромагнітної індукції дає змогу закон Фарадея. Він свідчить, що ЕРС, що у системі, змінює значення пропорційно швидкості переміщення потоку в провіднику. Формула матиме такий вигляд:

Негативний знак свідчить про те, що ЕРС перешкоджає появі змін усередині контуру. Для вирішення деяких завдань негативного знака у формулі не ставлять. І тут результат записують як модуля.

Система може включати кілька витків. Кількість їх позначається латинською літерою N. Усі елементи контуру пронизуються єдиним магнітним потоком. ЕРС індукції розраховуватиметься так:

Зрозумілим прикладом відтворення електрики у провіднику вважається котушка, крізь яку переміщається постійний магніт.

Робота Е. Ленца

Спрямованість індукційного струму дозволяє визначити правило Ленца. Коротке формулювання звучить досить просто. Струм, що з'являється при зміні показників поля провідникового контуру, перешкоджає завдяки своєму магнітному полю такій зміні.

Якщо в котушку поступово вводити магніт, підвищується рівень магнітного потоку. Згідно з правилом Ленца, магнітне поле матиме напрямок протилежний до збільшення поля магніту. Щоб зрозуміти цю спрямованість, необхідно дивитися на магніт із північного боку. Звідси вкручуватиметься буравчик назустріч північному полюсу. Струм буде переміщатися у бік руху годинникової стрілки.

Якщо магніт виводиться із системи, магнітний потік у ній зменшиться. Щоб встановити напрямок струму, викручується свердловин. Обертання буде направлено у зворотний бік переміщення по циферблату годинникової стрілки.

Формулювання Ленца набувають великого значення для системи з контуром замкнутого типу та відсутнім опором. Його прийнято називати ідеальним контуром. За правилом Ленца, у ньому неможливо збільшити чи зменшити магнітний потік.

Поняття самоіндукції

Генерація індукції в ідеальній системі, що має місце при падінні або зростанні електрики у провіднику, називається самоіндукцією.

Закон Фарадея для самоіндукції виражається рівністю, коли за зміни електрики немає інших змін:

де е – ЕРС, L – індуктивність закритої котушки, ΔI/Δt – швидкість, з якою відбуваються зміни сили струму.

Індуктивність

Відношення, яке показує пропорційність між такими категоріями, як сила струму у провідній системі та магнітним потоком називається індуктивністю. На показник має вплив фізичні габарити котушки та магнітні характеристики середовища. Відношення описується формулою:

Електрика, що рухається в контурі, провокує появу магнітного поля. Воно пронизує власний провідник і тягне появу свого потоку крізь контур. Причому власний потік пропорційний електриці, що його породжує:

Значення індуктивності також формується із закону Фарадея.

Нерухома система

Сила Лоренца пояснює виникнення ЕРС під час руху системи на полі зі значенням постійним. Індукційна ЕРС має здатність виникати і при нерухомій провідній системі, що знаходиться в змінному магнітному полі. Сила Лоренца у такому прикладі неспроможна пояснити появу ЕРС індукції.

Максвелл для провідних систем нерухомого типу запропонував застосовувати особливе рівняння. Воно пояснює виникнення у таких системах ЕРС. p align="justify"> Головним принципом закону Фарадея-Максвелла є факт, що змінне поле утворює в просторі навколо себе електричне поле. Воно виступає фактором, який провокує появу струму індукції в нерухомій системі. Переміщення вектора (Е) стаціонарними контурами (L) є ЕРС:

За наявності струму змінного значення закони Фарадея водяться до рівнянь Максвелла. Причому можуть бути представлені як і диференціальної формі, і у вигляді інтегралів.

Праці в галузі електролізу

При використанні законів Фарадея описуються закономірності, які є при електролізі. Цей процес полягає у перетворенні речовин з різноманітними характеристиками. Це відбувається під час руху електрики крізь електроліт.

Ці закономірності довели М. Фарадеєм в 1834 року. Перше твердження свідчить, що маса речовини, що утворюється на електроді, змінюється відповідно до заряду, переміщеного крізь електроліт.

Друге твердження свідчить, що еквіваленти компонентів із різними характеристиками пропорційні хімічним еквівалентам цих компонентів.

Обидва подані твердження поєднуються в об'єднаний закон Фарадея. З нього випливає, що число Фарадея дорівнюватиме електриці, здатної виділити на електроліті 1 моль речовини. Її розраховують на одиницю валентності. Саме за об'єднаною формулою далекого 1874 року було обчислено заряд електрона.

Закони електролізу, встановлені Фарадеєм, тестувалися при різному значенні струму, температури, тиску, а також одночасному виділенні двох і більше речовин. Електроліз також проводився у різних розплавах та розчинниках. Концентрація електроліту також відрізнялася у різних дослідах. У цьому іноді спостерігалися невеликі відхилення від закону Фарадея. Вони пояснюються електронною провідністю електролітів, що визначається нарівні з іонною провідністю.

Відкриття, зроблені англійським фізиком М. Фарадеєм, дозволили описати багато явищ. Його закони є основою сучасної електродинаміки. За цим принципом функціонує різне обладнання.