Закон Фарадея

Закон Фарадея [по имени англ. физика М. Фарадея (1791—1867)] — основные законы электролиза. Устанавливают взаимосвязь между количеством электричества, проходящего через электропроводящий раствор (электролит), и количеством вещества, выделяющегося на электродах.

Первый закон: масса m вещества, выделившегося на электроде, при прохождении электрического тока прямо пропорциональна значению q электрического заряда, пропущенного через электролит; m=kq, где k — электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единицы количества электричества. При пропускании через электролит постоянного тока I в течение секунды q=It и m=kIt.

Второй закон: отношение массы различных веществ, претерпевающих химические превращения на электродах при прохождении одинаковых электрических зарядов, равно отношению химических эквивалентов этих веществ. Отношение молярной массы A элемента к его валентности n называется химическим эквивалентом; количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, равна, его химическому эквиваленту, — грамм-эквивалентом; величина F — числом Фарадея; F=96486,70±0,54 Кл/моль.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции, закон Фарадея – Максвелла — Ленца — закон, устанавливающий взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями. Эдс электромагнитной индукции, в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Пусть в однородном магнитном поле B помещен прямолинейный отрезок проводника. При передвижении его перпендикулярно к силовым линиям заряды под действием магнитной силы начнут передвигаться вдоль проводника перпендикулярно к направлению движения и вектору поля B. Направление тока легко установить по правилу правой руки. Ток будет течь до тех пор, пока на концах проводника не образуются заряды противоположного знака, которые создадут электрическое поле E, направленное против силы, действующей на заряд. Электрические и магнитные силы уравновесят друг друга, и движение зарядов прекратится. В этот момент E=-q[VB]/q=-[VB]. В рассматриваемом случае заряды накапливаются на концах проводника. Если поместить в магнитное поле замкнутый контур и двигать его так, чтобы плоскость рамки была перпендикулярна к линиям однородного магнитного поля B, то ток пойдет по стороне ab (от a к b) и по dc (от d к c). Две другие стороны можно не рассматривать, так как сила, действующая на заряды, расположенные в проводнике, перпендикулярна к проводу и движение зарядов прекращается. Если токи в сторонах ab и dc текут навстречу друг другу, что приводит к накоплению заряда, замкнутый ток по рамке не пойдет. Величина эдс вдоль рамки равна нулю ΣElΔl=Eablab+Ebclbc+Ecdlcd+Edalda=(E+0-E+0)Δl=0. При движении рамки в том же направлении сторона dc выйдет из области, занимаемой магнитным полем, и поток последнего через плоскость рамки начнет уменьшаться. В этом случае сила, действовавшая на заряды, принадлежащие стороне dc, исчезнет и заряды, движущиеся от a к b, ничто уравновешивать не будет. По рамке пойдет замкнутый ток. То же самое будет наблюдаться при движении, например, соленоида относительно неподвижно лежащей рамки. Величина эдс в этом случае равна ΣEΔl=Eablab+0+0+0=Eablab=VBΔl. Таким образом, наведенная в проводе эдс электромагнитной индукции пропорциональна величине магнитной индукции поля, в котором движется проводник, длине провода и скорости его движения в направлении, перпендикулярном к магнитным силовым линиям.

Если обозначить скорость V=Δx/Δt где Δx — смещение рамки за время Δt, то ΣEΔl=-BΔxΔl/Δt. Знак минус в правой части равенства объясняется законом Ленца. Так как произведение ΔxΔl равно изменению площади ΔS, пронизываемой магнитным потоком, а ΔSB=ΔΦ — изменение самого магнитного потока за время t, то получим ΣEΔl=-ΔΦ/Δt. Таким образом, при изменении магнитного потока через контур начинает идти ток (индукционный или наведенный), который обязан своим возникновением электрическому полю. Величина эдс поля зависит от скорости изменения магнитного потока.

Зарядный ток конденсатора

Зарядный ток конденсатора. Рассмотрим электрическую цепь, состоящую незаряженного конденсатора емкостью C, резистора с сопротивлением R, рубильника P и источника постоянного тока.

В момент включения конденсатор еще не заряжен и напряжение на нем UC=0. Падение напряжения на сопротивлении равно напряжению источника, сила тока i=U/R. Прохождение тока i сопровождается постеленным накоплением заряда Q на конденсаторе. Создается напряжение UC=Q/C, вследствие чего падение напряжения на резисторе R уменьшается iR=U-UC. Следовательно, сила тока в цепи равна i=(U-UC)/R и понижается с уменьшением скорости накопления заряда Q. Конденсатор продолжает заряжаться, но заряд и напряжение на нем растут все медленней, а сила тока уменьшается пропорционально разности U-UC.

Через промежуток времени (теоретически бесконечно большой) напряжение на конденсаторе достигнет величины источника питания, а ток станет равным нулю — процесс зарядки конденсатора заканчивается. Процесс зарядки считается законченным, когда ток уменьшился до 1% начального значения) или напряжение на конденсаторе достигло 99% напряжения источника питания U. Продолжительность процесса зарядки конденсатора зависит от сопротивления цепи R, ограничивающей силу тока, и емкости. При большей емкости накапливается больший заряд, скорость протекания процесса характеризуется постоянной времени цепи τ=RC. Через интервал времени τ с момента включения цепи напряжение на конденсаторе достигает примерно 63% напряжения источника U питания, а через интервал 5τ процесс зарядки конденсатора закончится. Напряжение на конденсаторе при зарядке равно UC=U-Ue-t/τ=U(1-e-t/τ), т. е. оно равно разности постоянного напряжения источника питания и напряжения Ue-t/τ, убывающего с течением времени по закону показательной функции от значения U до 0. Зарядный ток конденсатора равен величине iC=Ue-t/τ/R=Ie-t/τ и постепенно уменьшается от начального значения I=U/R по закону показательной функции.