التحليل الكهربائي. قوانين فاراداي. قوانين فاراداي في الكيمياء والفيزياء – شرح مختصر بكلمات بسيطة
يعزز التيار الكهربائي الذي يمر عبر محاليل الإلكتروليت تحلل المواد ويجعل من الممكن الحصول على مواد نقية كيميائياً. هذه العمليةتلقى اسم التحليل الكهربائي، الذي وجد تطبيق واسعالخامس الإنتاج الصناعي. يتم تفسير التحولات الفيزيائية للموصلات في السائل بواسطة قانون فاراداي للتحليل الكهربائي، والذي على أساسه يعمل الأنود كقطب موجب، ويعمل الكاثود كقطب سالب.
وبمساعدة هذه الظاهرة، لا يتم فقط تنقية المعادن من الشوائب، ولكن أيضًا تطبيق طبقات رقيقة تحمي الأسطح المعدنية وتزيينها.
جوهر عملية التحليل الكهربائي
يشير التحليل الكهربائي إلى عمليات تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث تحت التأثير القسري لـ التيار الكهربائي. للقيام بذلك، يتم استخدام حاوية خاصة مع محلول كهربائيا، حيث يتم غمر المسامير المعدنية المتصلة بمصدر طاقة خارجي.
يعتبر القطب المتصل بالقطب السالب للمصدر الحالي هو الكاثود. عند هذه النقطة يتم تقليل جزيئات المنحل بالكهرباء. ويتصل القطب الآخر بالقطب الموجب ويسمى الأنود. في هذه المنطقة، تتم أكسدة مادة القطب أو جزيئات المنحل بالكهرباء. تحدث التفاعلات الكيميائية في هذه المنطقة بشكل مختلف، اعتمادًا على مادة الأنود وتركيب المحلول الإلكتروليتي. لذلك، كما تنص الكيمياء، يمكن أن تكون الأقطاب الكهربائية المتعلقة بالإلكتروليت خاملة أو قابلة للذوبان.
تشمل الفئة الخاملة الأنودات المصنوعة من مادة لا تتأكسد أثناء التحليل الكهربائي. وتشمل الأمثلة أقطاب الجرافيت أو البلاتين. تقريبًا جميع أنواع الأنودات المعدنية الأخرى التي تخضع للأكسدة أثناء التفاعل الإلكتروليتي قابلة للذوبان.
يتم استخدام الإلكتروليتات في أغلب الأحيان أنواع مختلفةالمحاليل أو الذوبان التي توجد بداخلها حركة فوضوية للجزيئات المشحونة - الأيونات. عندما تتعرض للتيار الكهربائي، فإنها تبدأ في التحرك في اتجاه معين: الكاتيونات - نحو الكاثود، والأنيونات - نحو الأنود. عندما يصلون إلى الأقطاب الكهربائية، يفقدون شحناتهم ويستقرون عليها.
وبالتالي، يحدث تراكم ما يسمى بالمنتجات الإجمالية التي تتكون من مواد محايدة كهربائيا على الكاثود والأنود. تتم عملية التحليل الكهربائي بأكملها تحت الجهد المطبق على الأقطاب الكهربائية. يعد جهد Uel هذا مثالًا نموذجيًا مطلوبًا لضمان المسار الطبيعي للتفاعلات الإلكتروليتية. من الناحية النظرية البحتة، يأخذ هذا الجهد شكل الصيغة: U el-za = E a - E k، حيث E a و E k هما إمكانات التفاعلات الكيميائية التي تحدث عند الأنود والكاثود.
موجود اتصال معينبين كمية الكهرباء المتدفقة خلال المحلول وكمية المادة المنطلقة أثناء التفاعل الكهربي. هذه الظاهرة وصفها الفيزيائي الإنجليزي فاراداي وصاغها رسميًا في شكل قانونين.
قانون فاراداي الأول
وقد اشتق العلماء هذا القانون تجريبيا. إنه يحدد العلاقة التناسبية بين كتلة المادة المتكونة على القطب والشحنة التي تمر عبر المحلول الإلكتروليتي.
تنعكس هذه النسبة بوضوح من خلال الصيغة m=k x Q=k x I x t، حيث k هو معامل التناسب أو المعادل الكهروكيميائي، Q هي الشحنة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء، t هو وقت مرور الشحنة، m هي كتلة المادة تشكلت على القطب نتيجة ردود الفعل.
يستخدم قانون فاراداي الأول لتحديد كمية المنتجات الأولية التي تتشكل أثناء التحليل الكهربائي على الأقطاب الكهربائية. كتلة هذه المادة هي الكتلة الإجمالية لجميع الأيونات التي تضرب القطب. يتم تأكيد ذلك من خلال الصيغة m=m0 x N = m0 x Qq0 = m0q0 x I x t، حيث m0 و q0 هما كتلة وشحنة أيون واحد، على التوالي. N=Qq0 - يحدد عدد الأيونات التي تضرب القطب أثناء مرور الشحنة Q عبر محلول الإلكتروليت.
وبالتالي فإن قيمة المكافئ الكهروكيميائي k هي نسبة كتلة الأيون m0 للمادة المستخدمة والشحنة q0 لهذا الأيون. من المعروف أن حجم شحنة الأيون هو حاصل ضرب التكافؤ n لهذه المادة والشحنة الأولية e، أي q0 = n x e. وبناءً على ذلك، فإن المعادل الكهروكيميائي لـ k سيبدو كما يلي: k = m0q0 = m0 x NAn x e x NA = 1F x μn. في هذه الصيغة، NA هو ثابت أفوجادرو، μ هي الكتلة المولية لمادة معينة. F = e x NA هو ثابت فاراداي وهو 96485 C/mol.
القيمة العددية لهذه القيمة تساوي الشحنة التي يجب تمريرها عبر محلول الإلكتروليت حتى يتم إطلاق مول واحد من مادة لها نفس التكافؤ عند القطب. قانون فاراداي قيد النظر للتحليل الكهربائي سوف يأخذ شكل صيغة أخرى: m = 1F x μn x I x t.
قانون فاراداي الثاني
يصف قانون فاراداي التالي كيف سيعتمد المكافئ الكهروكيميائي على الكتلة الذرية للمادة وتكافؤها. سيكون هذا المعامل متناسبًا طرديًا مع الوزن الذري ويتناسب عكسيًا مع تكافؤ المادة. مع إدخال هذه القيمة، تمت صياغة قانون فاراداي الثاني كنسبة من المعادلات الكهروكيميائية لمادة ما والمعادلات الكيميائية الجوهرية لهذه المواد.
إذا تم أخذ قيم المكافئات الكهروكيميائية كـ k1، k2، k3…kn، وتم أخذ المعادلات الكيميائية كـ x1، x2، x3…xn، فإن k1/x1 = k2/x2 = k3/x3…kn/xn. هذه النسبة هي قيمة ثابتة، وهي نفسها بالنسبة لأي مادة مستخدمة: c = k/x وهي 0.01036 mEq/k. هذه هي بالضبط كمية المادة بمكافئات الملليجرام التي يتم إطلاقها على الأقطاب الكهربائية أثناء فترة مرور شحنة كهربائية تساوي كولوم واحد في المنحل بالكهرباء.
ولذلك، يمكن تمثيل قانون فاراداي الثاني بالصيغة: k = cx. إذا تم استخدام هذا التعبير مع قانون فاراداي الأول، فستكون النتيجة التعبير التالي: m = kq = cxq = cxlt. تمثل الفئة ج هنا ثابتًا عالميًا بمبلغ 0.00001036 جم مكافئ / ك. مثل هذه الصيغة تجعل من الممكن أن نفهم أن نفس التيارات التي مرت خلال نفس الفترة الزمنية في إلكتروليتين مختلفتين ستطلق مواد منها وفقًا للمعادل الكيميائي المدروس.
بما أن x = A/n، فإن كتلة المادة المتحررة ستبدو بالشكل m = cA/nlt، بشكل يتناسب طرديًا مع الوزن الذري وتناسبًا عكسيًا مع التكافؤ.
قوانين التحليل الكهربائي (قوانين فاراداي)
وبما أن مرور التيار الكهربائي عبر الأنظمة الكهروكيميائية يرتبط بالتحولات الكيميائية، فلا بد من وجود علاقة معينة بين كمية الكهرباء المتدفقة وكمية المواد المتفاعلة. اكتشفه فاراداي وتم التعبير عنه في القوانين الكمية الأولى للكيمياء الكهربائية، والتي سميت فيما بعد بقوانين فاراداي.
قانون فاراداي الأول . تتناسب كميات المواد المحولة أثناء التحليل الكهربائي مع كمية الكهرباء التي تمر عبر المنحل بالكهرباء:
دم = كه ف = كاه ,
دم هي كمية المادة المتفاعلة. كهـ - بعض معاملات التناسب؛ ف - كمية الكهرباء، يساوي المنتجالقوة الحالية أنا للوقت ر. Ifq = هو = 1، ثمدم = كاه هذا هو المعامل ك e يمثل كمية المادة المتفاعلة نتيجة تدفق وحدة كمية من الكهرباء. معامل في الرياضيات او درجة كأوهمُسَمًّى المعادل الكهروكيميائي .
قانون فاراداي الثاني يعكس العلاقة الموجودة بين كمية المادة المتفاعلة وطبيعتها: مع مرور كمية ثابتة من الكهرباء، تخضع كتل المواد المختلفة للتحول عند الأقطاب الكهربائية (التحرر من المحلول، التغير في التكافؤ)، تتناسب مع المعادلات الكيميائية لهذه المواد:
دم أنا/أ أنا= ثابت .
يمكن دمج قانونين فاراداي في قانون عام واحد: لإفراز أو تحويل عن طريق التيار 1 ز مكافئ أي مادة (1/ضمول من المادة) يتطلب دائمًا نفس الكمية من الكهرباء، ويسمى رقم فاراداي (أو فاراداي ):
دم = ذلك=هو - هي .
القيمة المقاسة بدقة لعدد فاراداي
F = 96484,52 ± 0.038 درجة مئوية/جم مكافئ.
هذه هي الشحنة التي يحملها جرام واحد مكافئ من الأيونات من أي نوع. ضرب هذا الرقم فيض (رقم الرسوم الأوليةأيون)، نحصل على كمية الكهرباء التي يحملها 1 ز-أيون . بقسمة رقم فاراداي على رقم أفوجادرو نحصل على شحنة أيون أحادي التكافؤ، يساوي تهمةالإلكترون:
ه = 96484,52 / (6,022035 × 10 23) = 1,6021913 × 10 – 19 درجة.
القوانين, اكتشفها فارادايفي عام 1833، يتم اتباعها بدقة للموصلات من النوع الثاني. الانحرافات الملحوظة عن قوانين فاراداي واضحة. غالبًا ما ترتبط بوجود تفاعلات كهروكيميائية متوازية غير محسوبة. الانحرافات عن قانون فاراداي المنشآت الصناعيةيرتبط بالتسريبات الحالية وفقدان المادة عند رش المحلول وما إلى ذلك. في المنشآت الفنيةنسبة كمية الناتج التي تم الحصول عليها عن طريق التحليل الكهربائي إلى الكمية المحسوبة على أساس قانون فاراداي أقل من الوحدة وتسمى الإخراج الحالي :
ب ت = = .
في القياسات المختبرية الدقيقة للتفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث بشكل لا لبس فيه، يتم تحديد الكفاءة الحالية يساوي واحد(في حدود الأخطاء التجريبية). يتم الالتزام بقانون فاراداي بدقة، لذا فهو يشكل أساس الطريقة الأكثر دقة لقياس كمية الكهرباء التي تمر عبر الدائرة من خلال كمية المادة المترسبة في القطب الكهربي. لمثل هذه القياسات استخدم الكولومترات . تُستخدم الأنظمة الكهروكيميائية كمقاييس كولوميتر، حيث لا توجد تفاعلات كهروكيميائية وتفاعلات كيميائية جانبية متوازية. عن طريق طرق تحديد كمية المواد المتكونة وتنقسم الكولومترات إلى قياس الجاذبية الكهربائية والغاز والمعايرة. ومن أمثلة مقاييس الكولومترات الكهربية الجاذبية مقاييس الكولومترات الفضية والنحاسية. عمل كولوميتر ريتشاردسون الفضي، وهو محلل كهربائي
(–) اي جيï AgNO3× عبد القديرï اي جي (+) ,
على أساس وزن كتلة الفضة المترسبة على الكاثود أثناء التحليل الكهربائي. عندما يتم تمرير 96500 درجة مئوية (1 فاراداي) من الكهرباء عبر الكاثود، سيتم إطلاق ما يعادل 1 جم من الفضة (107 جم). عند التخطين F من الكهرباء، يتم إطلاق كتلة محددة تجريبيًا عند الكاثود (دمل). يتم تحديد عدد فاراداي المنقولة من الكهرباء من العلاقة
ن = دم /107 .
مبدأ تشغيل مقياس الكولومتر النحاسي مشابه.
في مقاييس كولومترات الغاز، تكون منتجات التحليل الكهربائي عبارة عن غازات، ويتم تحديد كميات المواد المنطلقة على الأقطاب الكهربائية من خلال قياس أحجامها. مثال على جهاز من هذا النوع هو مقياس كولوميتر الغاز المعتمد على التحليل الكهربائي للماء. أثناء التحليل الكهربائي، يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود:
2H2O+2 ه– =2OH – +H2,
وعند الأنود - الأكسجين:
ح 2 يا = 2 ح + +½ س 2 +2 ه – الخامس- الحجم الإجمالي للغاز المنطلق، م3.
في مقاييس المعايرة، يتم تحديد كمية المادة المتكونة أثناء التحليل الكهربائي بطريقة المعايرة. يتضمن هذا النوع من مقياس الكولومتر مقياس كولوميتر المعايرة Kistyakovsky، وهو نظام كهروكيميائي
(–) نقطةï KNO3، HNO3ï اي جي (+) .
أثناء عملية التحليل الكهربائي، يذوب أنود الفضة، مكونًا أيونات الفضة، والتي تتم معايرتها. يتم تحديد عدد فاراداي الكهرباء من خلال الصيغة
ن = mVc ,
أين م- كتلة الحل، ز؛ الخامس- حجم محلول المعايرة المستخدم لمعايرة 1 جم من سائل الأنود؛ ج - تركيز المعايرة، g-equiv/cm3.
يحتوي المنحل بالكهرباء دائمًا على عدد معين من الأيونات ذات علامات الزائد والناقص، الناتجة عن تفاعل جزيئات المذاب مع المذيب. عندما ينشأ الحقل الكهربائي، تبدأ الأيونات في التحرك نحو الأقطاب الكهربائية، وتندفع الأيونات الإيجابية نحو الكاثود، والسالبة نحو الأنود. بعد وصول الأيونات إلى الأقطاب الكهربائية، تتخلى عن شحناتها وتتحول إلى ذرات محايدة وتترسب على الأقطاب الكهربائية. كلما اقتربت الأيونات أكثر من الأقطاب الكهربائية، سيتم إيداع المزيد من المادة عليها.
يمكننا التوصل إلى هذا الاستنتاج تجريبيا. دعونا نمرر تيارًا عبر المحلول المائي ونلاحظ انطلاق النحاس عند كاثود الكربون. سنجد أنه في البداية سيتم تغطيته بطبقة بالكاد ملحوظة من النحاس، ثم مع مرور التيار سيزداد، ومع تيار طويل المدى سيكون من الممكن الحصول على طبقة من النحاس ذات سماكة كبيرة، والتي من السهل لحامها، على سبيل المثال، سلك نحاس.
تسمى ظاهرة إطلاق مادة على الأقطاب الكهربائية أثناء مرور التيار عبر المنحل بالكهرباء بالتحليل الكهربائي.
تمرير تيارات مختلفة من خلال التحليلات الكهربية المختلفة وقياس كتلة المادة المنطلقة على الأقطاب الكهربائية من كل إلكتروليت بعناية، الإنجليزية في 1833 - 1834. اكتشف قانونين للتحليل الكهربائي.
يحدد قانون فاراداي الأول العلاقة بين كتلة المادة المنطلقة أثناء التحليل الكهربائي وكمية الشحنة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء.
تتم صياغة هذا القانون على النحو التالي: كتلة المادة التي يتم إطلاقها أثناء التحليل الكهربائي على كل قطب كهربائي تتناسب طرديًا مع كمية الشحنة التي تمر عبر المنحل بالكهرباء:
حيث m هي كتلة المادة التي تم إطلاقها، q هي الشحنة.
القيمة k هي المعادل الكهروكيميائي للمادة. إنها سمة من سمات كل مادة يتم إطلاقها خلال المنحل بالكهرباء.
إذا أخذنا في الصيغة q = 1 كولوم، فإن k = m، أي سيكون المعادل الكهروكيميائي للمادة مساويا عدديا لكتلة المادة المنبعثة من المنحل بالكهرباء عند مرور شحنة قدرها كولوم واحد.
بالتعبير عن الشحنة في الصيغة بدلالة التيار I والزمن t، نحصل على:
تم التحقق من قانون فاراداي الأول تجريبيا على النحو التالي. دعونا نمرر تيارًا عبر الإلكتروليتات A وB وC. إذا كانت جميعها متماثلة، فستكون كتل المادة المنطلقة في A وB وC مرتبطة بالتيارات I وI1 وI2. في هذه الحالة، كمية المادة المنطلقة إلى A ستكون مساوية لمجموع الأحجام المنطلقة إلى B وC، حيث أن التيار I= I1+ I2.
يحدد قانون فاراداي الثاني اعتماد المعادل الكهروكيميائي على الوزن الذري للمادة وتكافؤها، ويتم صياغته على النحو التالي: المعادل الكهروكيميائي للمادة يتناسب مع وزنها الذري، ويتناسب أيضًا عكسيًا مع تكافؤها.
وتسمى نسبة الوزن الذري للمادة إلى تكافؤها بالمعادل الكيميائي للمادة. بعد تقديم هذه الكمية، يمكن صياغة قانون فاراداي الثاني بشكل مختلف: المعادلات الكهروكيميائية للمادة تتناسب مع معادلاتها الكيميائية.
دع المكافئات الكهروكيميائية للمواد المختلفة هي على التوالي k1 و k2، k3، ...، kn، المعادلات الكيميائية لنفس المواد x1 و x2، x23، ...، xn، ثم k1 / k2 = x1 / x2، أو k1 / x1 = k2 / x2 = k3/ x3 = … = kn/ xn.
بمعنى آخر، نسبة قيمة المعادل الكهروكيميائي لمادة ما إلى قيمة نفس المادة هي قيمة ثابتة لها نفس القيمة لجميع المواد:
ويترتب على ذلك أن نسبة k/x ثابتة لجميع المواد:
ك/س=ج = 0.01036 (ملجم-مكافئ)/ك.
توضح القيمة c عدد مكافئات الملليجرام من المادة التي يتم إطلاقها عند الأقطاب الكهربائية أثناء مرورها عبر المنحل بالكهرباء، أي ما يعادل 1 كولوم. يتم تمثيل قانون فاراداي الثاني بالصيغة:
باستبدال التعبير الناتج لـ k في قانون فاراداي الأول، يمكن دمجهما في تعبير واحد:
حيث c هو ثابت عالمي يساوي 0.00001036 (g-eq)/k.
توضح هذه الصيغة أنه من خلال تمرير نفس التيارات لنفس الفترة الزمنية من خلال إلكتروليتين مختلفين، فإننا سوف نفصل من كلا الإلكتروليتات كميات من المواد المصنفة كمعادلات كيميائية لها.
بما أن x=A/n يمكننا أن نكتب:
أي أن كتلة المادة المنطلقة على الأقطاب الكهربائية أثناء التحليل الكهربائي سوف تتناسب طرديًا مع تيارها ووقتها وتتناسب عكسيًا مع تكافؤها.
قانون فاراداي الثاني للتحليل الكهربائي، مثل الأول، يتبع مباشرة من الطبيعة الأيونية للتيار في المحلول.
لعب قانون فاراداي ولينز والعديد من علماء الفيزياء البارزين الآخرين دورًا كبيرًا في تاريخ تكوين الفيزياء وتطويرها.
تحدد هذه القوانين العلاقة بين كتلة المنتج المتكون على القطب وكمية الكهرباء (الشحنة الكهربائية) التي تمر عبر المنحل بالكهرباء.
ينص قانون فاراداي الأول على أن كتلة المادة المتكونة عند القطب الكهربائي تتناسب مع كمية الكهرباء التي تمر عبره. المقياس الكمي للشحنة الكهربائية هو الفاراداي. والفاراداي هي الشحنة التي يحملها مول واحد من الإلكترونات أو مول واحد من الأيونات المشحونة منفردة.
تذكر أن الرقم هو رقم أفوجادرو (انظر القسم 4.2).
يتم وصف تفريغ أيونات الفضة عند الكاثود أثناء التحليل الكهربائي لمحلول نترات الفضة بواسطة معادلة نصف التفاعل
لذلك، الشحنة الكهربائية 1 فاراداي (مول واحد من الإلكترونات) يحرر 1 مول من أيونات الفضة، مما يؤدي إلى تكوين 1 مول من ذرات الفضة. هذا يعني أن تمرير شحنة 2 فاراداي سينتج 2 مول من ذرات الفضة، وتمرير شحنة 3 فاراداي سينتج 3 مول من ذرات الفضة، إلخ.
ينص قانون فاراداي الثاني على أنه لتفريغ مول واحد من أي أيون على قطب كهربائي، من الضروري تمرير عدد من شحنات فاراداي من خلال الإلكتروليت يساوي عدد الشحنات الأولية على هذا الأيون.
مول 2 مول 1 مول وبالتالي، لتصريف مول واحد من الأيونات عند الكاثود، يجب تمرير 2 فاراداي من الشحنة (2 مول من الإلكترونات) من خلاله.
الخلد 3 الشامات أنا الخلد
لتفريغ مول واحد من أيونات الألومنيوم عند الكاثود، يجب تمرير 3 فاراداي من الشحنة (3 مولات من الإلكترونات) من خلاله.
الخلد 1 الخلد 2 الشامات
للحصول على مول واحد من جزيئات البروم نتيجة لتفريغ مولين من أيونات البروم عند الأنود، من الضروري تمرير 2 فاراداي من الشحنة من خلاله. ولذلك، يلزم شحنة فاراداي واحدة لتفريغ مول واحد من أيونات البروم.
دعونا نحسب كتلة الرصاص المنطلق عند الكاثود نتيجة تمرير تيار شدته 2 أمبير خلال البروميد المنصهر لمدة 30 دقيقة
يحدث إطلاق الرصاص عند الكاثود نتيجة للتفاعل النصفي التالي:
لذا، فإن 2 فاراداي من الشحن (أي 2-96,500 درجة مئوية) تجعل من الممكن الحصول على 1 مول من ذرات الرصاص (أي 207 جم من ذرات الرصاص). من هنا
دعونا نأخذ في الاعتبار الآن أن تيارًا قدره 2 A، يتدفق لمدة 30 دقيقة، ينقل شحنة تساوي 2-30-60 درجة مئوية. لذلك،
مايكل فاراداي (1791-1867)
كان الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي عالمًا تجريبيًا بارزًا واشتهر كواحد من أوائل الباحثين في طبيعة الكهرباء والمغناطيسية.
لم يتمكن فاراداي من تلقي التعليم الرسمي عندما كان طفلاً. في سن الرابعة عشرة أصبح مساعدًا لتجليد الكتب. لكنه سرعان ما أصبح مهتما بالعلم، وبعد الاستماع إلى محاضرة للكيميائي الشهير همفري ديفي، كتب إليه وأرسل إليه ملاحظاته عن المحاضرة. قبله ديفي كمساعد في مختبره في المعهد الملكي في لندن. كان فاراداي يبلغ من العمر 21 عامًا في ذلك الوقت.
يلقي مايكل فاراداي محاضرة عيد الميلاد في المعهد الملكي (لندن، 1955) بحضور أفراد العائلة المالكة: يواجهه في الصف الأمامي زوج الملكة، وعلى يساره أمير ويلز (لاحقًا إدوارد السابع)، على يمينه دوق إدنبرة.
وفي السنوات اللاحقة، اكتشف فاراداي اثنين من كلوريدات الكربون الجديدة. كما تمكن من الانتقال إلى الحالة السائلةالكلور والغازات الأخرى. وفي عام 1825 تمكن من عزل البنزين وفي نفس العام تم تعيينه رئيسًا للمختبر. لعدة سنوات كان يعمل دراسة تجريبيةالتحليل الكهربائي وفي نهاية المطاف صاغ قوانينه الشهيرة للتحليل الكهربائي في عام 1834. بحلول هذا الوقت كان قد اكتشف هذه الظاهرة بالفعل الحث الكهرومغناطيسي.
أصبح فاراداي رئيسًا للجمعية الملكية وكتب العديد من الكتب، بما في ذلك الأبحاث التجريبية في الكيمياء والفيزياء (1858). في عام 1855، بسبب تدهور الذاكرة، اضطر إلى التوقف عمل بحثي. توفي فاراداي في عام 1867.
لوصف العمليات في الفيزياء والكيمياء هناك خط كاملالقوانين والعلاقات تم الحصول عليها تجريبيا وعن طريق الحساب. لا يمكن إجراء دراسة واحدة دون تقييم أولي للعمليات باستخدام العلاقات النظرية. تُستخدم قوانين فاراداي في كل من الفيزياء والكيمياء، وفي هذه المقالة سنحاول التحدث بإيجاز ووضوح عن جميع الاكتشافات الشهيرة لهذا العالم العظيم.
تاريخ الاكتشاف
تم اكتشاف قانون فاراداي في الديناميكا الكهربائية من قبل عالمين: مايكل فاراداي وجوزيف هنري، لكن فاراداي نشر نتائج عمله في وقت سابق - في عام 1831.
في تجاربه التوضيحية في أغسطس 1831، استخدم طوقًا حديديًا، تم لف سلك على طرفيه المقابلين (سلك واحد لكل جانب). قام بتوصيل الطاقة إلى طرفي السلك الأول من بطارية كلفانية، وقام بتوصيل جلفانومتر إلى أسلاك السلك الثاني. كان التصميم مشابهًا للمحول الحديث. قام بشكل دوري بتشغيل وإيقاف الجهد على السلك الأول، ولاحظ حدوث زيادات في الجلفانومتر.
الجلفانومتر هو أداة حساسة للغاية لقياس التيارات الصغيرة.
وبهذه الطريقة تم تصوير التأثير حقل مغناطيسي، تشكلت نتيجة لتدفق التيار في السلك الأول، على حالة الموصل الثاني. تم نقل هذا التأثير من الأول إلى الثاني من خلال النواة - طارة معدنية. ونتيجة للبحث، تم اكتشاف تأثير المغناطيس الدائم الذي يتحرك في ملف على لفه.
ثم قام فاراداي بشرح ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي من وجهة نظره خطوط الكهرباء. وكان آخر تركيب لتوليد التيار المباشر: قرص نحاسي يدور بالقرب من مغناطيس، وسلك ينزلق على طوله يعمل كمجمع للتيار. ويسمى هذا الاختراع قرص فاراداي.
لم يقبل علماء تلك الفترة أفكار فاراداي، لكن ماكسويل اتخذ من البحث أساسًا لنظريته المغناطيسية. في عام 1836، أنشأ مايكل فاراداي علاقات للعمليات الكهروكيميائية، والتي كانت تسمى قوانين فاراداي للتحليل الكهربائي. الأول يصف نسبة كتلة المادة المنطلقة على القطب والتيار المتدفق، والثاني يصف نسبة كتلة المادة في المحلول والمنطلقة على القطب، مقابل كمية معينة من الكهرباء.
الديناميكا الكهربائية
تم استخدام الأعمال الأولى في الفيزياء، وتحديدًا في وصف تشغيل الآلات والأجهزة الكهربائية (المحولات والمحركات وغيرها). ينص قانون فاراداي على:
بالنسبة للدائرة، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة تتناسب طرديًا مع السرعة الفيض المغناطيسي، الذي يتحرك عبر هذا الكفاف بعلامة ناقص.
يمكن القول بكلمات بسيطة: كلما تحرك التدفق المغناطيسي بشكل أسرع خلال الدائرة، زاد توليد القوى الدافعة الكهربية عند أطرافها.
تبدو الصيغة كما يلي:
حيث dФ هي التدفق المغناطيسي، وdt هي وحدة الزمن. ومعلوم أن المشتقة الأولى بالنسبة للزمن هي السرعة. أي سرعة حركة التدفق المغناطيسي في هذه الحالة بالذات. بالمناسبة، يمكن أن يتحرك، تمامًا مثل مصدر المجال المغناطيسي (ملف به تيار - مغناطيس كهربائي، أو المغناطيس الدائم)، والكفاف.
هنا يمكن التعبير عن التدفق باستخدام الصيغة التالية:
B هو المجال المغناطيسي وdS هي مساحة السطح.
إذا أخذنا في الاعتبار ملفًا ذو لفات ملفوفة بإحكام، وعدد اللفات N، فإن قانون فاراداي يبدو كما يلي:
يتم قياس التدفق المغناطيسي في الصيغة لكل دورة في ويبر. يسمى التيار المتدفق في الدائرة بالحث.
الحث الكهرومغناطيسي هو ظاهرة تدفق التيار في دائرة مغلقة تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي.
ربما لاحظتم في الصيغ أعلاه علامات المعامل؛ فبدونها يكون لها شكل مختلف قليلاً، كما قيل في الصيغة الأولى، بعلامة الطرح.
علامة الطرح تشرح قاعدة لينز. يخلق التيار الناشئ في الدائرة مجالًا مغناطيسيًا، ويتم توجيهه في الاتجاه المعاكس. وهذا نتيجة لقانون حفظ الطاقة.
اتجاه الحالية التي يسببهايمكن تحديدها من خلال القاعدة اليد اليمنىأو قمنا بمراجعتها بالتفصيل على موقعنا.
كما ذكرنا سابقًا، بفضل ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي، تعمل الآلات الكهربائية والمحولات والمولدات والمحركات. يوضح الرسم التوضيحي تدفق التيار في ملف عضو الإنتاج تحت تأثير المجال المغناطيسي للجزء الثابت. في حالة المولد، عندما يدور الدوار الخاص به بواسطة قوى خارجية، يظهر EMF في ملفات الدوار، ويولد التيار مجالًا مغناطيسيًا موجهًا في الاتجاه المعاكس (نفس علامة الطرح في الصيغة). كلما زاد التيار الذي يستهلكه حمل المولد، زاد المجال المغناطيسي، وأصبحت عملية التدوير أكثر صعوبة.
والعكس صحيح - عندما يتدفق التيار في الدوار، ينشأ حقل يتفاعل مع حقل الجزء الثابت ويبدأ الدوار في التدوير. عندما يتم تحميل العمود، يزداد التيار في الجزء الثابت والدوار، ومن الضروري ضمان تبديل اللفات، ولكن هذا موضوع آخر يتعلق بتصميم الآلات الكهربائية.
في قلب تشغيل المحول، فإن مصدر التدفق المغناطيسي المتحرك هو مجال مغناطيسي متناوب ينشأ نتيجة للتيار المتردد المتدفق في الملف الأولي.
إذا كنت ترغب في دراسة الموضوع بمزيد من التفصيل، ننصحك بمشاهدة مقطع فيديو يشرح قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي بطريقة سهلة ويمكن الوصول إليها:
التحليل الكهربائي
بالإضافة إلى أبحاث المجالات الكهرومغناطيسية والحث الكهرومغناطيسي، حقق العالم اكتشافات عظيمة في تخصصات أخرى، بما في ذلك الكيمياء.
عندما يتدفق التيار عبر المنحل بالكهرباء، تبدأ الأيونات (الموجبة والسالبة) في الاندفاع نحو الأقطاب الكهربائية. السالبة تتحرك نحو الأنود، الإيجابية منها تتحرك نحو الكاثود. في هذه الحالة، يتم إطلاق كتلة معينة من المادة الموجودة في المنحل بالكهرباء على أحد الأقطاب الكهربائية.
أجرى فاراداي تجارب عن طريق تمرير تيارات مختلفة عبر المنحل بالكهرباء وقياس كتلة المادة المترسبة على الأقطاب الكهربائية والأنماط المشتقة منها.
m هي كتلة المادة، q هي الشحنة، و k يعتمد على تكوين المنحل بالكهرباء.
ويمكن التعبير عن الشحنة بدلالة التيار خلال فترة زمنية:
أنا = ف / ر، ثم ف = أنا*ر
يمكنك الآن تحديد كتلة المادة التي ستنطلق، بمعرفة التيار وزمن سريانه. وهذا ما يسمى قانون فاراداي الأول للتحليل الكهربائي.
القانون الثاني:
وزن عنصر كيميائي، والتي سوف تستقر على القطب، تتناسب طرديا مع الكتلة المكافئة للعنصر (الكتلة المولية مقسومة على عدد يعتمد على تفاعل كيميائي، التي تشارك فيها المادة).
ومع مراعاة ما سبق، يتم دمج هذه القوانين في الصيغة:
m هي كتلة المادة المنطلقة بالجرام، n هو عدد الإلكترونات المنقولة في عملية القطب، F = 986485 C/mol هو رقم فاراداي، t هو الوقت بالثواني، M هي الكتلة المولية للمادة جم / مول.
في الواقع، ولأسباب مختلفة، تكون كتلة المادة المنطلقة أقل من الكتلة المحسوبة (عند حسابها مع مراعاة التيار المتدفق). تسمى نسبة الكتل النظرية والحقيقية بالناتج الحالي:
ب t = 100% * م محسوب / م نظري
قدمت قوانين فاراداي مساهمة كبيرة في التنمية العلم الحديثوبفضل عمله أصبح لدينا محركات كهربائية ومولدات كهرباء (وكذلك أعمال أتباعه). إن عمل المجالات الكهرومغناطيسية وظاهرة الحث الكهرومغناطيسي أعطانا معظم المعدات الكهربائية الحديثة، بما في ذلك مكبرات الصوت والميكروفونات، والتي بدونها يستحيل الاستماع إلى التسجيلات والاتصالات الصوتية. تُستخدم عمليات التحليل الكهربائي في الطريقة الكلفانية لمواد الطلاء، والتي لها قيمة زخرفية وعملية.
مواد ذات صلة:
يحب( 0 ) أنا لا أحب( 0 )
