Явление электромагнитной индукции воспринимали, как открытие нового вида электричества - "магнитоэлектричества". Фарадей решил окончательно доказать, что в природе не существует разных "электричеств". Для этого он получил восемь различных действий от пяти видов "электричества" (обыкновенного, гальванического, животного, термоэлектричества и магнитоэлектричества). Следующая серия исследований Фарадея была посвящена электрохимическим явлениям. Он предложил и ныне принятую терминологию: электролиз, электрод, катод, анод, анион, катион.
Электролиз (от электро... и греч. lysis - разложение, растворение, распад), совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ - как простых (электролиз в узком смысле слова), так и сложных (электросинтез).
Изучение и применение электролиза началось в конце 18 - начале 19 вв., в период становления электрохимии. Для разработки теоретических основ электролиза большое значение имело установление М. Фарадеем в 1833-34 точных соотношений между количеством электричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества, выделившегося на электродах.
Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в 70-х гг. 19 в. мощных генераторов постоянного тока.
Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. электролиз осуществляется в специальных аппаратах - электролизёрах.
Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.
На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (F3+ +e = Fe2+), электроосаждении меди (Cu2+ + 2e = Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется), например: выделение кислорода (4OH- = 4e + 2H2O + O2) и хлора (2C1- =2e + Cl2), образование хромата (Cr3+ + 3OH- + H2O = CrO42- + 5H+ + 3e), растворение меди (Cu = Cu2+ + 2e), оксидирование алюминия (2Al + 3H2O = Al2O3 +6Н+ + 6e).
Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.
Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно, служит плотность тока.
Были установлены соотношения между весами различных веществ, выделяемых на электродах при пропускании одного и того же количества электричества, связь между химическими и электрохимическими эквивалентами. При этом Фарадей пришел к выводу о необходимости ввести понятие "абсолютного количества электричества" - заряда грамм-атома одновалентного вещества, названного потом "числом Фарадея".
Количественные законы электролиза, открытые М. Фарадеем (1833 – 34) выражают связь между количеством прошедшего через электролит электричества, массой и химической природой (через эквиваленты химические) веществ, претерпевших превращение на электродах,
1-й закон.: массы т превращенных веществ пропорциональны количеству электричества q, прошедшего через электролит,
2-й закон.: массы различных веществ, превращенных в результате прохождения через электролит одного и того же количества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам А этих веществ.
Из второго закона Фарадея следует, что для выделения электрическим током 1 г-экв. различных веществ необходимо одно и то же количество электричества, называемое Фарадея числом F. Математически законы Фарадея можно записать в виде одного уравнения т = (A/F) q = kq (коэффициент k = A/F называется электрохимическим эквивалентом).
Оба закона Фарадея абсолютно точны, если ионами электролита переносится всё прошедшее через него количество электричества. Наблюдаемые в некоторых случаях отклонения от этих законов могут быть связаны с неучтенными побочными электрохимическими реакциями (например, выделение газообразного водорода при электроосаждении некоторых металлов) или с частичной электронной проводимостью (например, при электролизе некоторых расплавов).
Не будучи сторонником теории о существовании неделимых атомов, он открыл путь к введению понятия атома электричества (заряда электрона) и, таким образом, к мысли о сложности строения самого атома. Величина заряда электрона определяется, как известно, делением числа Фарадея на число Авогадро.
В 1838 году Фарадей провел серию разнообразных опытов с газовыми разрядами различных типов и, в частности, обнаружил необъяснимое в то время "темное пространство" (названное его именем), свидетельствующее об отсутствии симметрии в поведении положительных и отрицательных носителей разрядного тока.
С 1839 года силы Фарадея пришли в упадок. Как показал проведенный в последствии анализ симптомов болезни ученого, это было ртутное отравление (Фарадей постоянно пользовался ртутными контактами). Но могло сказаться и переутомление от чрезвычайно напряженной умственной работы. В 1845 году, когда самочувствие его улучшилось, он осуществил давно задуманный опыт по выявлению связи света и магнетизма и обнаружил вращение плоскости поляризованного света в магнитном поле.
К началу 1850 г.г. Фарадей сконцентрировал внимание на магнитных явлениях, достиг важных результатов, как в экспериментах, так и в развитии своих теоретических воззрений.
В эпохальных опытах Гальвани, Эрстеда, Фарадея и др. открытые ими явления были неожиданными, непредсказуемыми, трудно поддававшимися объяснению. В конце концов, их открытия привели к осмыслению новой картины мира, а практически - к совершенно новым видам связи, новой энергетике, новому образу жизни.
При этом главную роль в теоретическом осмыслении нового круга явлений сыграл именно Фарадей. Он не был в плену общепринятых механистических концепций и опирался на наблюдения, опыты, интуицию и упомянутую уже идею о взаимосвязи и взаимопревращаемости сил природы.
Фарадей категорически отвергал мнение о мгновенном дальнодействии. Ключевое слово для него - индукция. И не только в трактовке опытов, но и в стиле их проведения. Его интересовал механизм действия сил в разных средах, электрические и магнитные процессы, происходящие как в веществе, так и в пространстве. Им было введено понятие диэлектрика, диэлектрической проницаемости, которую он называл удельной индуктивной способностью, открыт диамагнетизм, как универсальное свойство материи, в парамагнетике подавляемое. В то время существовала гипотеза об эфире, помогающая понять поперечность световых волн, как механических колебаний. Фарадей ею не пользуется. Он совершает смелый шаг, утверждая самостоятельное существование электрических и магнитных силовых линий, предвосхищая этим идею существования поля, как физической реальности.
Подвиг Фарадея состоит в том, что он завершил накопление экспериментальных открытий в области электромагнетизма и положил начало их теоретическому осмыслению, завершенному Максвеллом. Наглядность перестала быть обязательной для объяснения физических явлений.
Мысль об объяснении световых явлений с помощью колебаний электрических и магнитных сил, распространяющихся с конечной скоростью, возникла у него еще в 1832 году, когда он оставил в Лондонском Королевском обществе описание своей гипотезы в запечатанном пакете, но хотел закрепить свой приоритет. Пакет был вскрыт только через сто с лишним лет, в 1938 году, через пол века после того, как Генрих Герц окончательно доказал существование электромагнитных (в том числе световых) волн.
В 1845 году М. Фарадеем открыт эффект Фарадея, который явился первым доказательством наличия прямой связи между магнетизмом и светом.
Эффект Фарадея, один из эффектов магнитооптики, заключается во вращении плоскости поляризации электромагнитного излучения (например, света), распространяющегося в веществе вдоль силовых линий постоянного магнитного поля, проходящих через это вещество.
Феноменологическое объяснение эффекта Фарадея заключается в следующем. Намагниченное вещество в общем случае уже нельзя охарактеризовать единым преломления показателем n.
Показатели преломления n + и n- для излучения правой и левой круговых поляризаций становятся различными. Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть формально представлено как суперпозиция (наложение) двух поляризованных по правому и левому кругу волн с противоположным направлением вращения.
Различие n + и n- приводит к тому, что поляризованные по правому и левому кругу составляющие излучения распространяются в среде с различными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации монохроматического света с длиной волны (после прохождения в среде пути l поворачивается на угол φ: (= φl (n + – n-)/φ. Разность (n + – n-) линейно зависит от напряжённости магнитного поля Н в области не очень сильных полей, в которой в общем случае справедливо соотношение φ = VHl, где константа пропорциональности V зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры и носит название постоянной Верде.
Эффект Фарадея оказался тесно связанным с Зеемана эффектом, открытым в 1896 и обусловленным расщеплением уровней энергии атомов и молекул магнитным полем. Частоты, соответствующие отщепленным уровням, сдвигаются симметрично по отношению к основной частоте. Эта симметричность проявляется, в частности, в том, что квантовые переходы между этими уровнями при продольном относительно поля распространении света (в этом случае можно считать исходный уровень расщепленным лишь на 2 подуровня) происходят с испусканием и поглощением фотонов, поляризованных по кругу направо и налево. В результате показатели преломления (и коэффициент поглощения), слабо зависящие от длины волны (частоты) света, становятся различными для право- и левополяризованных по кругу компонент монохроматического излучения. Грубо можно сказать, что различие скоростей обусловлено различием длин волн (частот) света, поглощаемого и переизлучаемого частицами вещества. Строгое описание Ф. э. возможно лишь в рамках квантовой теории.
В эффекте Фарадея ярко проявляется специфический характер вектора напряжённости магнитного поля Н (Н – осевой вектор, "псевдовектор"). Обусловленное Н направление поворота плоскости поляризации при эффекте Фарадея, в отличие от явления естественной оптической активности, не зависит от направления распространения излучения. Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз. Эта особенность эффекта Фарадея нашла применение при конструировании так называемых невзаимных оптических и микроволновых устройств, циркуляторов, гираторов, фазовращателей СВЧ и т.д. Эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.
В этой области столько открытий и идей, предложенных Фарадеем, что только перечисление эффектов, явлений и физических величин, названных именем Фарадея, очень впечатляет.
Фарада, единица электрической ёмкости в Международной системе единиц и в МКСА системе единиц. Названа в честь М. Фарадея. Обозначения: рус. ф, международное F. 1 Ф. – ёмкость конденсатора, при которой заряд в 1 кулон создаёт на обкладках конденсатора разность потенциалов 1 вольт. Единица ёмкости системы СГСЭ 1 см = (с – числовое значение скорости света в вакууме, выраженное в см/сек). В практике чаще применяются дольные от Ф. единицы: микрофарада (мкф, F), 1 мкф = 10-6 ф, и пикофарада (пф, pF), 1 пф = 10-12ф.
Фарадей, внесистемная единица количества электричества, применяется в электрохимии; названа в честь М. Фарадея. 1 Ф. = (9,648456 ± 0,000027) (104 к (на 1973), т. е. равен стольким же кулонам, сколько к/моль содержится в Фарадея числе.
В 1840 году, ещё до открытия закона сохранения энергии, Фарадей высказал мысль о единстве "сил" природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении. Он ввёл представления о силовых линиях, которые считал физически существующими.
Силовые линии, линии, проведённые в каком-либо силовом поле (электрическом, магнитном, гравитационном), касательные к которым в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором, характеризующим данное поле (напряжённостью электрического или гравитационного полей, магнитной индукцией). Изображение силовых полей с помощью Силовых линии - частный случай изображения любых векторных полей с помощью линий тока. Так как напряжённости полей и магнитная индукция - однозначные функции точки, то через каждую точку пространства может проходить только одна Силовая линия. Густота силовых линий обычно выбирается так, чтобы через единичную площадку, перпендикулярную к силовой линии, проходило число силовых линий, пропорциональное напряжённости поля (или магнитной индукции) на этой площадке.
Таким образом, силовые линии дают наглядную картину распределения поля в пространстве: густота силовых линий и их направление характеризуют величину и направление напряжённости поля. Силовые линии электростатического поля всегда незамкнуты: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность). Силовые линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты, т. е. магнитное поле является вихревым. Железные опилки, помещенные в магнитное поле, выстраиваются вдоль силовых линий; благодаря этому можно экспериментально определять вид силовых линий магнитной индукции. Вихревое электрическое поле, порождаемое изменяющимся магнитным полем, также имеет замкнутые силовые линии.
Идеи Фарадея об электрическом и магнитном полях оказали большое влияние на развитие всей физики. В 1832 году Фарадей высказал мысль о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий с конечной скоростью.
Талантливый экспериментатор, наделённый научной интуицией, Фарадей поставил ряд опытов, в которых были открыты фундаментальные физические законы и явления. Ознакомившись с работой Х. Эрстеда об отклонении магнитной стрелки вблизи проводника с током (1820), Ф. занялся исследованием связи между электрическим и магнитными явлениями и в 1821году впервые обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и вращение проводника с током вокруг магнита. В течение последующих 10 лет Фарадей пытался "превратить магнетизм в электричество"; его исследования завершились в 1831году открытием индукции электромагнитной. Он детально изучил явление электромагнитной индукции, вывел её основной закон, выяснил зависимость индукционного тока от магнитных свойств среды, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания и размыкания. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое значение; оно легло в основу электротехники.
Работам Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу.
В 1821 году Фарадей дал описание физического прибора. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Это было первое электромагнитное устройство с непрерывным движением. Именно с этого момента, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей ''взаимопревращаемости сил''. Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии Фарадея, превратить магнетизм в электричество.
Схема прибора изображена на рис. 9. В левом сосуде с ртутью находился постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. В сосуд опускался неподвижный проводник, и при включении тока верхняя часть магнита начинала вращаться вокруг проводника. В правом сосуде стержень был неподвижен, а проводник с током,свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита.
Рис.9. Схема "электромагнитных вращений" (по рисунку Фарадея): 1,2 — чаши с ртутью; 3 — подвижный магнит; 4 — неподвижный магнит; 5, 6 — провода, идущие к батарее; 7 — медный стержень; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводник.
Это явление было названо "эффектом электромагнитных вращений"; таким образом, Фарадей впервые показал возможность построения электрического двигателя и опубликовал в журнале Королевского общества статью "О новых электромагнитных движениях".
В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим явление, получившее тогда название ''магнетизма вращения''. За много лет до работ Фарадея мореплаватели заметили тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 году Араго описал это явление, но ни он, ни другие физики объяснить явление ''магнетизма вращения'' не могли. Сущность явления состояла в следующем. Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминевый диск, который также мог вращаться на оси, совпадающей по направлению с осью вращения магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом. Открытие электромагнитной индукции помогло Фарадею объяснить явление Араго и уже в самом начале исследования записать: ''Я надеялся сделать из опыта господина Араго новый источник электричества'' Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы ''взаимопревращаемости'' может объяснить целеустремленность и настойчивость Фарадея. Прошло целых семь лет, пока Фарадей, и никто другой, сумел объяснить "загадку" Араго. Но прежде он должен добиться "превращения магнетизма в электричество". 29 августа 1831 г. — памятный день не только в жизни Фарадея, но и в истории науки. Из рисунков в лабораторном журнале видна последовательность его заключительных экспериментов, приведших к величайшему открытию.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
