Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Майкл Фарадей: открытия, краткая биография, факты

Майкл родился 22 сентября 1791 г. в поселке недалеко от Лондона в семье кузнеца. Кроме Майкла в семье было еще трое детей. Они жили бедно, поэтому тринадцатилетний Фарадей оставил школу и стал работать рассыльным в книжном магазине. Он рано пристрастился к чтению научных книг по химии и физике.

Юный Майкл посещал курсы философского общества, участвовал в диспутах по астрономии и физике.

Королевский институт

Королевский институт в Лондоне

Фортуна улыбнулась подростку: ему подарили билет на цикл лекций профессора Гемфри Дэви в Королевском институте. Внимательно слушая лекции, он законспектировал идеи лектора. Позже он отправил письмо профессору с просьбой о работе и приложил эти записи. Спустя несколько месяцев, он был принят лаборантом в Королевский институт.

Находчивый парень оказался в нужном месте и нужное время!

В 1813 г. в качестве помощника профессора Майкл отправился в двухлетнее путешествие по европейским научным центрам. Там он познакомился с выдающимися учеными, среди них были Андре-Мари Ампер и Алессандро Вольта. Многие обратили внимание на талант юноши.

Когда Фарадей вернулся в Англию, его повысили в должности. Он стал ассистентом Гемфри Дэви и продолжил собственные научные исследования. В 1825 г. Фарадей занял пост директора химической и физической лабораторий. Затем он получил профессорскую кафедру в Королевском институте.

В 1840 г. у Фарадея началась болезнь (упадок сил и частичная потеря памяти). Вероятно, его недуг был результатом отравления парами ртути при проведении опытов. Великий физик скончался за письменным столом. Это случилось 25 августа 1867 г.

А теперь представим, что Майкл не пошел бы работать в книжный магазин. Он бы не получил судьбоносный билет на лекции Дэви. Что было бы дальше? Несомненно, его талант не остался бы незамеченным, но все сложилось бы иначе. Действия юного Фарадея доказывают: человек сам творит Судьбу.

Электричество 2600 лет назад

Один из инструментов, обнаруженных в археологических раскопках близ Багдада, напоминает электрохимическую ячейку

Примерно в 600 году до нашей эры греческий математик Фалес Милетский обнаружил, что трение меха о Янтарь вызывает притяжение между ними. Более поздние наблюдения доказали, что это притяжение было вызвано дисбалансом электрических зарядов, который называется статическим электричеством.

Археологи также обнаружили доказательства того, что древние люди могли экспериментировать с электричеством. В 1936 году они нашли глиняный горшок с железным прутом и медной пластиной. Он похож на электрохимический (гальванический) элемент.

Неясно, для чего использовался этот инструмент, но он пролил некоторый свет на тот факт, что древние люди, возможно, изучали ранние формы батарей задолго до того, как мы это знаем.

Благодаря настойчивости Фарадей смог получить место лаборанта королевского института в Лондоне. Он стал помощником профессора Дэви, вместе с которым провел множество научных исследований. В 1821 году Майкл опубликовал несколько трудов, заявив о себе, как о самостоятельном ученом.

Исследования в области магнетизма и электричества увенчались открытием электролиза, дуги, источника постоянного тока. Научные заслуги Фарадея были признаны в Европе, где он был избран почетным членом многих обществ и академий. Однако скандалы и застой в работе почти на 10 лет затормозили открытия.

Процесс электролиза

Чтобы ясно понять суть законов Фарадея, следует разобраться с процессом, для которого они применяются. Электролизом принято называть разложение соединений в их расплавах или растворах под действием проходящего электрического тока. Поскольку речь идет об электрохимическом процессе, то в его результате происходит два типа реакций: окисление и восстановление. Для их существования необходимо наличие двух электродов: катода и анода.

Читайте так же:
Гильотинные ножницы для резки листового металла характеристики

Два электрода

Если к отрицательной клемме электрической батареи присоединить электрод, то называться он будет катодом. Второй электрод, который подсоединяется к положительному полюсу батареи, — это анод. Оба слова имеют древнегреческие корни:

Ученики на уроке химии

  1. Catha означает «вниз». Здесь имеется в виду движение электронов в сторону уменьшения свободной энергии системы.
  2. Anas — это «вверх».

Часто школьники и студенты путаются в знаке заряда этих электродов. Чтобы исключить ошибки, существует простой метод запоминания: катионы или положительные ионы вещества всегда движутся к катоду, то есть он является отрицательным электродом. В свою очередь, анионы или отрицательные ионы направляются под действием электрического поля к аниону, поэтому он является положительным.

Имеется еще один способ определения знака электродов. Поскольку на каждом из них проходит один из двух противоположных химических процессов (окисление или восстановление), то этот факт можно использовать таким образом:

  1. «Анод» и «окисление» — оба слова начинаются с гласных букв. Поскольку этот процесс сопровождается отдачей электронов электроду, значит, последний является положительным.
  2. «Катод» и «восстановление» — оба слова начинаются на букву согласную. Так как процесс восстановления сопровождается присоединением к иону электронов, значит, электрод должен их отдать, то есть он является носителем отрицательного заряда.

Окислительно-восстановительные реакции

Именно благодаря им происходит выделение или растворение веществ на электродах. Реакция окисления часто приводит к образованию пузырьков газов на аноде. Процессы же восстановления на катоде сопровождаются присоединением к катионам электронов и образованием твердых веществ из растворов и расплавов. Следует для ясности привести несколько примеров:

Электролиз раствора поваренной соли

  1. Водный раствор поваренной соли (NaCl). Если через него пропускать ток с использованием углеродных электродов, то к аноду (+) будут идти анионы Cl-, на нем они будут окисляться до атомарного хлора, который будет образовывать пузырьки газа ядовитого Cl2. Катионы Na+ будут двигаться и оседать на электроде-катоде (-). Получая от него недостающие электроны для строительства внешней оболочки, будут образовываться в результате реакции восстановления атомы щелочного металла Na.
  2. Водный раствор медного купороса CuSO4. Здесь тип происходящих реакций будет зависеть от материала, из которого изготовлен электрод-анод. Реакция восстановления на катоде будет приводить к выделению меди на нем, однако, на аноде возможны разные варианты. Если этот электрод является платиновым, то на нем происходит выделение кислорода и образование H+ за счет окисления молекул H2O, а не анионов (SO4)2-. Если же анод будет медным, то происходит его собственное окисление и растворение.

Тип конкретной химической реакции на электродах определяется степенью «легкости» ее осуществления с энергетической точки зрения.

Применение в промышленности

Практически все активные химические элементы не содержатся в природе в чистом виде. Ввиду этого применение электролиза является достаточно полезным методом для получения многих металлов и газов:

  • производство чистых алюминия, натрия, калия и магния;
  • получение концентрированных растворов щелочей и кислот;
  • производство водорода, например, с помощью разложения воды;
  • анодирование — покрытие изделий тонкой пленкой различных соединений для их защиты от коррозии.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Математически его можно описать формулой:

Читайте так же:
Внутренний диаметр диска циркулярной пилы

Закон Фарадея

закон Фарадея

Ɛi — ЭДС индукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.

Закон Фарадея для контура из N витков

закон Фарадея для контура

Ɛi — ЭДС индукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

N — количество витков [-]

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​R​:

Закон Ома для проводящего контура

Закон Ома

Ɛi — ЭДС индукции [В]

I — сила индукционного тока [А]

R — сопротивление контура [Ом]

Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью ​v​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​B​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

ЭДС индукции для движущегося проводника

ЭДС индукции

Ɛi — ЭДС индукции [В]

B — магнитная индукция [Тл]

v — скорость проводника [м/с]

l — длина проводника [м]

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

  • вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
  • вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

  • в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
  • в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Физические опыты

В работе проведены и объяснены три эксперимента, описанных в учебнике 9 класса Пёрышкина А.В., использована электронная форма учебника и Тетрадь для лабораторных работ.

Эксперимент № 1: Изучение явления электромагнитной индукции

Вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?

Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» — так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.

Гипотеза работы: с помощью переменного магнитного поля можно получить электрический ток.

В соответствии с гипотезой можно сформулировать цель работы: меняя магнитный поток, пронизывающего площадь, ограниченную замкнутым проводником, в этом проводнике получить электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. Изучить явление электромагнитной индукции.

Читайте так же:
Как установить тиски в гараже

Для выполнения эксперимента мне необходимы следующие приборы и материалы: гальванометр, катушка-моток, магнит полосовой, источник питания, катушка с железным сердечником, реостат, ключ, провода соединительные.

При выполнении опыта необходимо соблюдать технику безопасности:

  • провода необходимо располагать аккуратно;
  • все изменения в цепи и ее разборку необходимо проводить при выключенном источнике питания;
  • во всех случаях повреждения электрического оборудования, измерительных приборов, проводов необходимо отключить напряжение и сообщить о неисправности учителю.

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.

Рисунок 1

(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 119, рис.164)

Если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.

При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.

Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.

Катушка A, включена в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку C, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки A в катушке C возникает индукционный ток.

Можно вызвать появление индукционного тока в катушке C и путём изменения силы тока в катушке A или движением этих катушек относительно друг друга.

Рисунок 2

(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 120, рис.164)

Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.

Магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки A индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.

Итак, наша гипотеза подтвердилась: с помощью переменного магнитного поля можно получить кратковременный индукционный электрический ток.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.

На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.

Кстати, независимо аналогичные опыты были поставлены Дж. Генри, однако, они своевременно не были опубликованы. Причина: Генри не нашел физической концепции, охватывающей разнообразные по форме явления.

Эксперимент № 2: Распространение звука

Мир окружающих нас звуков разнообразен — голоса людей и музыка, пение птиц и жужжание пчёл, гром во время грозы и шум леса на ветру, звук проезжающих автомобилей, самолётов и т. д.

Исследования показали, что человеческое ухо способно воспринимать как звук механические колебания с частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц (передающиеся обычно через воздух). Поэтому колебания этого диапазона частот называются звуковыми.

Читайте так же:
Как резать плитку плиткорезом ручным секреты

Следует отметить, что указанные границы звукового диапазона условны, так как зависят от возраста людей и индивидуальных особенностей их слухового аппарата.

Мы воспринимаем звуки, находясь на расстоянии от их источников. Обычно звук доходит до нас по воздуху. Воздух является упругой средой, передающей звук.

Можно выдвинуть гипотезу, что если между источником и приёмником удалить звукопередающую среду, то звук распространяться не будет и, следовательно, приёмник не воспримет его. Продемонстрируем это на опыте.

Цель опыта: доказать опытным путем, что в безвоздушной среде, т.е. в вакууме, звук не распространяется.

Для выполнения эксперимента необходимо следующее оборудование: часы-будильник, колокол воздушного насоса, вакуумный насос Комовского.

При выполнении опыта необходимо соблюдать технику безопасности:

  1. При работе насосом Комовского плавно вращать рукоятку по часовой стрелке, делая примерно 60-120 оборотов в минуту (т.е. с секундным или полусекундным счетом). При резком изменении скорости или весьма быстром вращении возможна порча насоса.
  2. Перед соединением прибора или тарелки с насосом следует выбрать ниппель, соответствующий выкачиванию (нагнетанию), что легко определить, приведя насос в действие и прикладывая палец к отверстиям ниппелей.
  3. Перед каждым, хотя бы временным, прекращением работы поршнем закрывать кран, разобщая насос от тарелки (снимать трубку с прибора, с которым соединен насос).
  4. Колокол, поставленный на тарелку, при начале откачки следует несколько нажать руками вниз и слегка повернуть. Затем, сделав несколько качаний, убедиться, что колокол «присосался», т.е. не поддается усилию руки, стремящейся поднять его вверх (колокол перед началом работы следует смазать вазелином по линии соприкосновения с тарелкой).
  5. После окончания опыта, шланг отсоединяют от тарелки обязательно при закрытом кране. Воздух под колокол впускают медленно, лишь постепенно открывая кран.
  6. После работы с тарелкой протереть ее поверхность и кран колокола для удаления смазки, которая при хранении загустевает и сильно грязнится.

Рисунок 3

(А.В.Перышкин, Физика – 9, ЭФУ, стр. 135, рис.80)

Поместим под колокол воздушного насоса часы-будильник. Пока в колоколе находится воздух, звук звонка слышен ясно.

Откачаем с помощью вакуумного насоса Комовского воздух из-под колокола.

При откачивании воздуха можно заметить, что звук постепенно слабеет. Если откачать весь воздух, т.е. создать под колоколом вакуум, то звук становится неслышимым.

Можно сделать вывод, что без передающей среды колебания тарелки звонка не могут распространяться, и звук не доходит до нашего уха. Впустим под колокол воздух и снова услышим звон.

Итак, наша гипотеза подтвердилась.

Звуковые волны могут распространяться в воздухе, газах, жидкостях и тверды телах. В безвоздушном пространстве звуковые волны не возникают и соответственно не распространяются.

Леонардо да Винчи еще в XV веке писал: «Если ты, будучи на море, опустишь в воду отверстие трубы, а другой конец ее приложишь к уху, то услышишь шум кораблей, очень удаленных от тебя».

Кстати говоря, о том, что звук в различной среде распространяется с различной скоростью, было известно людям с давних пор. Охотники, пастухи, воины, приложившись ухом к земле, получали, как бы мы сказали сейчас, информацию о движении копытных животных или конницы.

Первые измерения скорости распространения звука в воздухе были проведены в XVII веке Миланской академией наук.

Скорость распространения звука в воде впервые была измерена в 1827 году на Женевском озере.

Мягкие и пористые тела — плохие проводники звука. Чтобы защитить какое-нибудь помещение от проникновения посторонних звуков, стены, пол и потолок прокладывают прослойками из звукопоглощающих материалов. В качестве прослоек используют войлок, прессованную пробку, пористые камни, различные синтетические материалы (например, пенопласт), изготовленные на основе вспененных полимеров. Звук в таких прослойках быстро затухает.

Читайте так же:
Из чего состоят грабли

В космосе, а точнее в межзвёздном пространстве, вакуум. Даже сильнейшие взрывы галактик в космосе происходят в тишине.

Эксперимент № 3: Исследование равноускоренного движения без начальной скорости

Равноускоренное движение — это движение с постоянным ускорением.

Ускорение — векторная величина, которая характеризуется не только модулем, но и направлением.

Модуль вектора ускорения показывает, на сколько меняется модуль вектора скорости в каждую единицу времени. Чем больше ускорение, тем быстрее меняется скорость тела.

Гипотеза работы: зная пройденное расстояние при равноускоренном движении без начальной скорости и время движения, можно вычислить ускорение тела и его мгновенную скорость.

Цель работы: Определить ускорение движения бруска по наклонной плоскости и его мгновенную скорость в конце заданного пути, пройденного за определённый промежуток времени.

Для выполнения эксперимента необходимо следующее оборудование: прибор для изучения движения тел, секундомер.

При выполнении опыта необходимо соблюдать технику безопасности:

  • на столе не должно быть никаких посторонних предметов;
  • неаккуратное обращение с приборами приводит к их падению, можно при этом получить механическую травму или вывести приборы из рабочего состояния.

Рисунок 4

Фотография установки и формул для расчета ускорения и мгновенной скорости

Разместите брусок на направляющей.

Отпустим брусок. Определите расстояние s между датчиками и промежуток времени t, за который брусок прошёл это расстояние.

Проведем опыт еще 2 раза.

По результатам трёх опытов рассчитаем среднее время движения бруска.

Вычислим ускорение движения бруска и его мгновенную скорость в конце пути s.

Результаты всех измерений и вычислений занесем в таблицу:

Время t прохождения бруском расстояния s между датчиками, с

7. Кажущиеся случаи отклонения от законов Фарадея

I закон Фарадея , базирующийся на атомистической природе вещества и электричества, является точным законом природы. Отклонений от него быть не может. Если на практике при расчетах наблюдаются отклонения от этого закона, то они всегда обусловлены неполным учетом процессов, сопутствующих основной электрохимической реакции. Например, при электролизе водного раствора NaCl в системе с платиновыми электродами и разделенными пористой диафрагмой анодным и катодным пространствами на катоде протекает реакция:

а на аноде: 2Cl — — 2ē = Cl2

Количество образующегося газообразного хлора всегда меньше, чем это следует по закону Фарадея из-за того, что Cl2растворяется в электролите и вступает в реакцию гидролиза:

Если учесть массу хлора, прореагировавшего с водой, получим результат, соответствующий рассчитанному по закону Фарадея.

Или при анодном растворении многих металлов параллельно идут два процесса – образование ионов нормальной валентности и так называемых субионов – т.е. ионов низшей валентности, например: Cu 0 — 2ē → Cu 2+ и

Cu- 1ē → Cu + . Поэтому расчет по закону Фарадея в предположении, что образуются только ионы высшей валентности, оказывается неправильным.

Часто на электроде протекает не одна электрохимическая реакция, а несколько самостоятельных параллельных реакций. Например, при выделении Zn из кислого раствора ZnSO4наряду с разрядом ионов Zn:

протекает реакция восстановления ионов гидроксония: 2Н3О + +2ē → Н2 + 2H2O.

Если на электроде протекает несколько параллельных электрохимических реакций, то I закон Фарадея будет справедлив для каждой из них.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector