Законы Фарадея. Для эл/м индукции и в электролизе

В электротехнике и электродинамике особое место занимают законы Фарадея, касающиеся взаимодействия э/м полей и особенностей химических реакций, протекающих в различных средах. Первые из них описывают поведение токопроводящих контуров при их размещении в магнитном поле, а вторые – оценивают количественные характеристики обменных процессов.

Законы Фарадея для электромагнитной индукции (ЭИ)

Под э/м индукцией понимается эффект «генерации» тока в замкнутом проводнике вследствие изменения величины или направления пронизывающего его магнитного потока (МП). Это явление было открыто английским исследователем магнетизма М. Фарадеем в 1831 году.

Проводимый ученым эксперимент сводился к выполнению следующей последовательности операций:

Сначала на непроводящее ток основание наматывались две катушки, витки которых располагались вплотную одна к другой или достаточно близко друг от друга.
Зачищенные концы первой подключались к измерительному прибору (гальванометру), а второй – к источнику постоянного напряжения.
В момент включения питающего устройства по виткам 2-ой катушки начинал течь нарастающий по величине ток, который индуцировал общее для двух обмоток э/м поле.
За счет эффекта ЭИ в соседних витках первой катушки появлялся короткий токовый импульс.
При отключении питания наблюдался такой же всплеск, но только он имел противоположную полярность.

Еще один опыт, подтверждающий законы Фарадея, был дальнейшим развитием первого эксперимента. При его проведении катушка, на которую постоянно подавалось напряжение, оставалась неподвижной. Вторая же с подключенным к ее концам гальванометром медленно перемещалась относительно первой. При ее удалении или приближении в измерительной обмотке также фиксировался всплеск тока.

В третьем эксперименте брался постоянный магнит в виде округлого продолговатого бруска и вводился в полость катушки с подключенным к ее концам гальванометром. В результате указанного действия в цепи измерительной обмотки появлялся индуцированный ток. При выведении постоянного магнита наружу наблюдался тот же эффект, но ток протекал в обратную сторону.

Окончательный вывод, сделанный М. Фарадеем на основании всех проведенных им опытов, состоял в следующем утверждении. Наведенный или индуцированный в проводящей обмотке ток возникает только при изменении напряженности э/м поля. Направление потока электронов в проводящей среде зависит от того, увеличивается или уменьшается количество магнитных силовых линий, пересекающих ее в заданном направлении.

В окончательной форме законы Фарадея, касающиеся электромагнитных явлений, были сформулированы в следующем виде:

Величина или амплитуда тока, индукционного в проводящем витке, зависит только от скорости изменения магнитного потока, который пронизывает его.

Zakony Faradeia 2

Из этого утверждения следует, что появление токовой составляющей наблюдается как при изменении внешнего э/м поля, так и при перемещении в нем самого контура.

Объяснения причин появления индукционного тока

Объяснить направленное перемещение электронов в цепи замкнутого витка удается, если исходить из следующей последовательности рассуждений:

Появление тока в любой среде возможно лишь при условии, если на заряженные частички (электроны) действуют сторонние силы.
Их работа по перемещению единичного заряда по замкнутому контуру оценивается величиной действующей ЭДС.
При изменении интенсивности магнитных линий через ограниченную контуром поверхность, в нем появляется движущая сила, называемая ЭДС индукции.

Значительное место в этих рассуждениях отводится понятию «магнитный поток».

Что такое магнитный поток (МП)

МП – это комплексная физическая величина, указывающая на интенсивность силовых линий, пронизывающих замкнутый контур определенной площади. Его скалярная величина находится по следующей простой формуле:

Ф=B·S·cos α

Где S – это площадь ограниченного контура, а B – величина магнитной индукции в гауссах (теслах).

Угол α образуется между нормалью (перпендикуляром к плоскости поверхности, в которой действует э/м сила) и самим вектором поля. Единица исследуемого параметра – один вебер (Вб).

Zakony Faradeia 3

Магнитный поток величиной в один вебер создается э/м полем с показателем индукции в 1 Тл при его действии в пределах площадки в метр квадратный. Обязательное условие корректности этого соотношения – вектор магнитной напряженности должен быть перпендикулярен пронизываемой им поверхности.

Для наглядности магнитный поток иногда представляют в виде величины, пропорциональной количеству силовых линий, проходящих через данную площадь. В зависимости от величины угла α его значение может быть положительным или отрицательным (МП – это вектор).

Это равносильно следующей паре неравенств: (α < 90°) и (α > 90°) соответственно. При α=90 градусов согласно приведенному выше соотношению магнитный поток будет равен нулю. Из приведенной там же формулы следует, что изменять показатель МП можно не только за счет уменьшения или увеличения площади контура. На его величину также влияют модуль индукции внешнего э/м поля и ориентация витка в нем.

В случаях, когда полевая структура неоднородна, а контур имеет сложную форму – искомая величина представляется в виде суммы магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из единичных участков.

Законы Фарадея в электролизе

Для химических реакций, протекающих в различных растворах, также характерны определенные закономерности. По содержанию сделанных из них выводов они подразделяются на первый и второй законы.

Первый закон

В обобщенном понятии «законы Фарадея» основополагающим считается утверждение, касающееся границы раздела двух проводников первого и второго рода. Носителями электрического заряда в одних являются электроны, тогда как в других за это «ответственны» ионы электролита.

Первый закон формулируется так: если на границе этого раздела протекает только одна электрохимическая реакция, то масса каждого из реагентов пропорциональна количеству прошедшего через него заряда.

Таким образом, первый закон устанавливает связь между расходом электричества на границе двух сред и количеством прореагировавшего вещества. Для его математической интерпретации используется следующее простое выражение:

m = k I t

Где m – это масса вступившего в реакцию вещества, а k представляет собой электрохимический эквивалент (ЭХЭ) в ампер/час. I – это величина постоянного тока, протекающего через границу раздела фаз, а t – продолжительность процесса. Иногда эту формулу представляют в «свернутом» виде: m = k Q, где Q = I t.

Электрохимический эквивалент

Разобраться с происходящими при электролизе процессами и лучше понять законы Фарадея поможет знакомство с тем, что такое ЭХЭ. Эта постоянная – не что иное, как количество вещества, которое вступило в реакцию на границе двух сред при протекании через нее единицы заряда. Величину ЭХЭ можно получить расчетным путем, но только при условии, если известны исходные вещества и продукты закончившейся реакции.

Уравнение для его расчета выглядит так:

k=M/n·F

М – это молярная масса реагирующего вещества, а n – общее количество вступивших в реакцию электронов.

Суть второго закона

Этот закон – дальнейшее развитие уже рассмотренного ранее утверждения. В нем отражается закономерная связь между количеством вступившего в реакцию вещества и его химической природой. В соответствие с этим законом справедливо утверждение, касающееся границы раздела двух проводящих сред.

Оно формулируется так: Если в обозначенном месте протекает единственная реакция нескольких веществ, то их массы соотносятся как соответствующие химические эквиваленты.

Первый и второй законы Фарадея и случаи их невыполнения

Первый закон Фарадея основывается на базовом принципе природы (на атомистическом учении об устройстве вещества и электрических проявлениях). Он выполняется при любых условиях и не может иметь каких-либо отклонений. Если и встречаются нестыковки с его выполнением – они обусловлены непринятием во внимание ряда факторов, касающихся химических реакций.

В качестве примера обычно рассматривается опыт с электролизом водного раствора NaCl в емкости с электродами на основе платины. В пространстве с пористой перегородкой, разделяющей анод и катод, протекает следующая реакция:

2H2O + 2ē = H2 + 2OH-

При этом на аноде образуется:

2Cl- — 2ē = Cl2

Количество газообразного хлора в этом случае получается чуть меньше, чем предписывают законы Фарадея. Однако это происходит из-за того, что молекулы Cl2 одновременно растворяются в электролите, то есть вступают в сопутствующую реакцию гидролиза:

Cl2+ H2O → HCl+ HClO

С учетом общей массы хлора, вступившего во взаимодействие с водой, удается получить результат, полностью соответствующий расчетному значению по закону Фарадея.

Другой характерный пример – анодное растворение металлов, в процессе которого одновременно происходят два процесса. При этом образуются частицы нормальной и низшей валентности (например, Cu0 — 2ē → Cu2+ и Cu- 1ē → Cu+). Если учитывать только один тип ионов – расчет не будет соответствовать первому закону Фарадея.

В заключение отметим, что в ситуации, когда в одной электродной зоне протекает сразу несколько химических реакций – этот закон справедлив для каждой из них.