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法拉第定律
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:595

法拉第定律是描述电极上通过的电量与电极反应物重量之间的关系的,又称为电解定律。

 
  法拉第定律又叫电解定律,是电镀过程遵循的基本定律。法拉第(michael faraday l791-1867)是著名的自学成才的科学家,他发现的电解定律至今仍然指导着电沉积技术,是电化学中最基本的定律,从事电镀专业的工作者,都应该熟知这一著名的定律。它又分为两个子定律,即法拉第第一定律和法拉第第二定律。(1)法拉第第一定律法拉第的研究表明,在电解过程中,阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。当我们讨论的是金属的电沉积时,用公式可以表示为:
 
  m=kq=kit
 
  式中m一析出金属的质量;
 
  k—比例常数;
 
  q—通过的电量;
 
  i—电流强度;
 
  t—通电时间。
 
  法拉第第一定律描述的是电能转化为化学能的定性的关系,进一步的研究表明,这种转化有着严格的定量关系,这就是法拉第第二定律所要表述的内容。
 
  通过电极的电量正比于电极反应的反应进度与电极反应电荷数的乘积。
 
  (2)法拉第第二定律 电解过程中,通过的电量相同,所析出或溶解出的不同物质的物质的量相同。也可以表述为:电解1mol的物质,所需用的电量都是1个“法拉第”(f),等于96500 c或者26.8a?h。
 
  1f=26.8a?h=96500c
 
  结合第一定律也可以说用相同的电量通过不同的电解质溶液时,在电极上析出(或溶解)的物质与它们的物质的量成正比。由于现在标准用语中推荐使用摩尔数,也可以用摩尔数来描述这些定理。所谓摩尔是表示物质的量的单位,每摩尔物质含有阿伏伽德罗常数个微粒。摩尔简称摩,符号mol。由于每mol的任何物质所含的原子的数量是一个常数,即6.023 × 10的23次方,这个数被叫作阿伏伽德罗常数。阿伏伽德罗常数是很大的数值,但摩尔作为物质的量的单位应用极为方便。因为1mol碳的质量是12g,即为6.023×10的23次方个碳原子的质量。由此,我们可以推算1mol任何原子的质量。一种元素的相对原子质量(原子量)是以l2c的质量的l/12作为标准。任意元素原子的质量跟碳元素相比较所得的数值就是该元素的原子量,如氧的原子量是l6,氢的原子量是1,铁的原子量是55.85,等等。l个碳原子的质量跟l个氧原子的质量之比是12:16。1mol碳原子跟1mol氧原子所含有的原子数相同。1mol碳原子是12g,那么1mol氧原子就是16g。同理,1mol任何原子的质量就是以克为单位,数值上等于该种原子的原子量。
 
  的变化率是指磁通量变化的快慢。关键在于变化二字。要是磁通很大,而为常量。变化率也为零。
 
  但是反之,即使磁通量很小,它能在短的时间变化很大,也就是变化率大了。
 
  学了微积分你就能很好理解这一点了。
 
  平均变化率=变化量/变化时间。
 
  瞬时变化率=d变化量/dt
 
  电动势的产生是由于磁通量的变化而引起的,有的时候切割磁感线也可能不产生感应电动势,
 
  判断产生与否主要由以下几个方法
 
  ⒈ 感应电流的产生条件和方向判定是高考命题频率较高的内容,特别要注意楞次定律的应用。“阻碍”两字是楞次定律的核心,它的含义可推广为三种表达方式: ⑴ 阻碍原磁通量的变化(简化为“增反减同”原则); ⑵ 阻碍导体的相对运动(简化为“来拒去留”原则); ⑶ 阻碍原电流变化(自感现象)。
 
  ⒉ 法拉第电磁感应定律是电磁感应的核心内容,也是高考热点之一。该定理定量地给出了感应电动势的计算公式 ,概括了感应电动势大小与穿过回路的磁通量变化率成正比这一规律。
 
  ⑴ 根据不同情况, 可表达成 、 和 几种情况。
 
  ⑵ 注意磁通量φ、磁通量的变化δφ、磁通量的变化率 三者区别。
 
  ⑶ 注意 和ε=blv的区别和联系。后者的v可以取平均速度,也可以取瞬时速度。
 
  ⒊ 电磁感应的应用一般是二个方面:
 
  ⑴ 电磁感应和电路规律的综合应用。 主要将感应电动势等效于电源电动势,产生感应电动势的导体等效于内电阻,其余问题为电路分析和的应用。
 
  ⑵ 电磁感应和力学规律的综合应用。 此类问题特别注意动态分析。
 
  如图所示,用恒力拉动放在磁场中光滑框架上的 导体时,导体因切割磁感线产生感应电流,并受到安培力f的阻碍作用。其关系可表示如下:
 
  设导体的质量为m,框架回路电阻r不变,其运动方程为
 
  ; 即 .
 
  可见,随着切割速度v的增加,导体的加速度a减少。当a=0时,速度达到最大值,v=vmax,这就是导体作匀速运动时的速度v匀=fr/b2l2。
 
  在较复杂的电磁感应现象中,经常涉及求解焦耳热问题,而且具体过程中感应电流是变量,安培力也是变量,但是从能量守恒观点来看,安培力做多少功,就有多少电能转化为其他形式的能,只要弄清能量的转化途径,用能量守恒处理问题可以省去许多细节,解题简捷、方便。
 
  [考题例析]
 
  例题 如图所示,固定于水平桌面上的金属框架cdef,处于竖直向下的匀强磁场中,金属棒ab搁在框架上,可无摩擦滑动。此时adeb构成一个边长为l的正方形。棒的电阻为r,其余部分电阻不计。开始时磁感强度为b。
 
  ⑴ 若t=0时刻起,磁感强度均匀增加,每秒增量为k同时保持棒静止。求棒中的感应电流。在图上标出感应电流的方向。
 
  ⑵ 在上述 ⑴ 情况中,始终保持棒静止,当t=t1s末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大?
 
  ⑶ 若从t=0时刻起,磁感强度逐渐减小,当棒以恒定速度v向右做匀速运动时,可使棒中不产生感应电流,则磁感强度应怎样随时间变化(写出b与t的关系式)?
 
  解析 ⑴ 由于磁场的磁感强度均匀增加,且 ,在边长l的正方形线框中产生感应电动势和感应电流。据法拉第电磁感应定律 。由闭合电路欧姆定律 。据楞次定律可判断线框中感应电流为逆时针方向。
 
  ⑵ 在 末棒ab仍静止,它受力情况为 ,而此时刻 ,则 , 。
 
  ⑶ 当棒中不产生感应电流即 时,据法拉第电磁感应定律 ,而δt≠0,所以δφ=0,即回路内总磁通量 保持不变,而在t时刻的磁通量 。故 。
 
  说明 本例是2000年上海高考题。它从b0增加和减少两个方向设置问题。题目不难,概念性强,比较新颖,是考查电磁感应规律的一道好题。
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