Định luật Faraday là gì? Công thức các định luật Faraday?

1. Định luật Faraday là gì? 

Định luật Faraday là định luật cơ bản trong điện từ, cho biết từ trường tương tác với một mạch điện để tạo ra sức điện động (EMF) – một hiện tượng gọi là cảm ứng điện từ. Đó là nguyên lý hoạt động cơ bản của máy biến áp, cuộn cảm, các loại động cơ điện, máy phát điện và nam châm điện. 

Định luật Faraday là tên gọi chung cho hai định luật cơ bản trong lĩnh vực điện từ học, được phát hiện bởi nhà vật lý người Anh Michael Faraday vào đầu thế kỷ 19. Định luật này mô tả mối quan hệ giữa từ trường và điện trường, cũng như các hiện tượng cảm ứng điện từ và điện phân.

Định luật Faraday được khám phá bởi nhà vật lý hóa học người Anh Michael Faraday vào năm 1831 và Joseph Henry độc lập nghiên cứu tại cùng thời gian.

Ví dụ về Định luật Faraday 

– Nam châm điện: Định luật Faraday được áp dụng trong các nam châm điện để giải thích hiện tượng tạo ra từ trường bằng dòng điện. Khi có dòng điện chạy qua một cuộn dây có lõi sắt, sẽ tạo ra từ trường xung quanh cuộn dây. Từ trường này sẽ làm cho lõi sắt trở thành nam châm. Cường độ từ trường phụ thuộc vào cường độ dòng điện và số vòng dây của cuộn.

– Pin: Định luật Faraday được áp dụng để giải thích quá trình hoạt động của pin. Khi pin hoạt động, có sự chuyển đổi của năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Trong pin, có hai loại dung dịch gọi là dung dịch anot và dung dịch catot, được nối với nhau bởi một cầu muối. Trong dung dịch anot, có các ion kim loại bị oxi hóa, tức là nhường electron cho một thanh kim loại gọi là anot. Trong dung dịch catot, có các ion khác bị khử, tức là nhận electron từ một thanh kim loại gọi là catot. Sự chuyển tiếp của electron từ anot sang catot tạo ra suất điện động trong pin.

2. Công thức các định luật Faraday:

Định luật Faraday là tên gọi chung cho hai định luật cơ bản trong lĩnh vực điện từ học, được phát hiện bởi nhà vật lý người Anh Michael Faraday vào đầu thế kỷ 19. Định luật này mô tả mối quan hệ giữa từ trường và điện trường, cũng như các hiện tượng cảm ứng điện từ và điện phân.

+ Định luật cảm ứng Faraday cho biết sức điện động (EMF) cảm ứng trong một mạch kín bằng âm biến thiên thời gian của từ thông bao quanh nó. Công thức của định luật này là:

EMF = -N.dΦ/dt

Trong đó:

– EMF là sức điện động cảm ứng, tính bằng volt (V).

– N là số vòng dây của mạch kín.

– Φ là từ thông, tính bằng weber (Wb).

– dΦ/dt là biến thiên thời gian của từ thông, tính bằng Wb/s.

Định luật này được áp dụng trong các thiết bị như máy biến áp, máy phát điện, nam châm điện và cuộn cảm.

+ Định luật điện phân Faraday cho biết khối lượng m của chất bị phân li tỉ lệ thuận với điện lượng Q chuyển qua chất điện phân và với đương lượng hóa học A của chất. Công thức của định luật này là:

m = (Q/F). (M/z)

Trong đó:

– m là khối lượng của chất bị phân li, tính bằng gam (g).

– Q là điện lượng chuyển qua chất điện phân, tính bằng coulomb (C).

– F là hằng số Faraday, bằng 96485 C/mol.

– M là khối lượng mol của chất tham gia điện phân, tính bằng g/mol.

– z là số đương lượng của các ion của chất điện phân.

Định luật này được sử dụng để tính toán các hiện tượng điện hóa như phản ứng oxi-hoá khử, phản ứng điện hoá và điện phân.

Định luật này liên quan đến hóa học bởi vì nó cho biết khối lượng của các nguyên tố hoặc hợp chất bị phân li trong quá trình điện phân. Điện phân là một phương pháp hóa học để tách các nguyên tố hoặc hợp chất thành các thành phần riêng biệt bằng cách sử dụng dòng điện. Điện phân được sử dụng để sản xuất hoặc tinh chế nhiều chất hóa học quan trọng như kiềm, clo, hydro, oxy, kim loại và kim loại quý.

3. Các yếu tố tác động đến định luật Faraday:

Các yếu tố tác động đến định luật Faraday là:

– Từ trường: Định luật Faraday cho biết hiệu điện thế cảm ứng trong mạch tỉ lệ với tốc độ biến thiên theo thời gian của từ thông qua mạch đó. Nói cách khác, từ trường thay đổi càng nhanh thì hiệu điện thế trong mạch càng lớn.

– Mạch điện: Định luật Faraday chỉ áp dụng cho các mạch kín, có nghĩa là không có điểm ngắt quãng trong mạch. Nếu mạch bị ngắt quãng, hiệu điện thế cảm ứng sẽ không được tạo ra.

– Đương lượng hoá học: Định luật Faraday cũng liên quan đến quá trình điện phân, trong đó khối lượng của chất bị phân li tỉ lệ thuận với điện lượng chuyển qua chất điện phân và với đương lượng hoá học của chất. Đương lượng hoá học là khối lượng mol của chất chia cho số đương lượng của các ion của chất.

– Tốc độ thay đổi của từ trường: Từ trường thay đổi càng nhanh, điện trường được tạo ra càng lớn. Do đó, dòng điện cảm ứng cũng càng lớn.

– Diện tích của vòng dây dẫn: Diện tích của vòng dây dẫn lớn thì từ trường bị cắt qua khi từ trường thay đổi càng nhiều. Do đó, dòng điện cảm ứng cũng càng lớn.

– Góc giữa vòng dây dẫn và từ trường: Góc giữa vòng dây dẫn và từ trường, từ trường bị cắt qua khi từ trường thay đổi càng nhiều. Bởi thế, dòng điện cảm ứng cũng càng lớn.

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng định luật Faraday là một công cụ quan trọng để nghiên cứu và ứng dụng các hiện tượng liên quan đến điện và từ.

4. Ứng dụng của Định luật Faraday:

– Điện tử và điện công nghiệp: Định luật Faraday được sử dụng trong việc tạo ra điện trong các máy phát điện, máy biến áp và các thiết bị điện tử khác. Nó cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc chuyển đổi từ năng lượng cơ học sang năng lượng điện.

– Pin và ắc quy: Định luật Faraday giúp hiểu về cơ chế hoạt động của pin và ắc quy. Khi pin hoặc ắc quy được sạc, quá trình điện phân xảy ra dựa trên Định luật Faraday, cho phép chất oxi hóa và chất khử được tạo ra và lưu trữ năng lượng điện.

– Điện hóa: Định luật Faraday là cơ sở cho các quá trình điện phân và mạ điện. Nó được sử dụng để tính toán lượng chất khử hoặc chất oxi hóa được tạo ra trong các quá trình này dựa trên lượng điện tích đi qua các điện cực.

– Công nghệ điện tử: Định luật Faraday được áp dụng trong các thiết bị điện tử như cảm biến từ, máy phát điện tử, transducer và các thiết bị điện tử khác để đo lường và kiểm soát từ trường và dòng điện.

– Nghiên cứu khoa học: Định luật Faraday được sử dụng trong các nghiên cứu và thí nghiệm về từ trường, điện từ, điện hóa và các lĩnh vực liên quan khác để hiểu và đo lường các hiện tượng và thông số điện học.

– Công nghệ truyền thông: Định luật Faraday có ứng dụng trong công nghệ truyền thông như việc tạo ra tín hiệu điện trong các thiết bị truyền thông và viễn thông, đảm bảo truyền tải và thu nhận thông tin qua sóng điện từ.

– Công nghệ năng lượng: Định luật Faraday được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió để chuyển đổi năng lượng từ môi trường thành năng lượng điện.

Tổng quan, Định luật Faraday có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ, từ điện tử đến năng lượng và nghiên cứu cơ bản.

5. Bài tập vận dụng liên quan và lời giải:

Bài 1: Một bình đựng điện phân dung dịch AgNO3 có điện trở là 2,5 Ω. Canot của bình điện phân bằng bạc (Ag) và hiệu điện thế đặt vào hai điện cực của binh là 10 V. Tính khối lượng của m bạc bám vào canot sau 16 phút 5 giây. Khối lượng nguyên tử của bạc là A=108 và hóa trị n = 1.

Hướng dẫn giải:

Đổi 16 phút 5 giây = 965 giây

Cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân là:

Khối lượng bạc bám vào catốt sau 16 phút 5 giây là:

Đáp án: 4,32 g.

Bài 2: Người ta muốn bóc một miếng đồng dày d = 10μm trên một bản đồng diện tích S = 1cm2 bằng một phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là 0,010 A. Tính thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng là D = 8900 kg/m3, khối lượng mol 64 g/mol và hóa trị 2.

Hướng dẫn giải:

Khối lượng đồng phải bóc đi:
m = D.V = D.S.d = 8900.1.10-4.10.10-6 = 8,9.10-6 (kg) = 8,9.10-3 (g)
Áp dụng công thức định luật Faraday:

Đáp án: 2683 giây.

Bài 3: Cho mạch điện như hình vẽ (E = 12 V; r = 0,4 Ω), R1 = 9Ω, R2 = 6Ω và một bình điện phân đựng dung dịch CuSO4, anôt bằng đồng Cu và điện trở của bình điện phân Rp = 4Ω. Tính:

a) Cường độ dòng điện qua mạch chính.

b) Khối lượng đồng thoát ra ở cực dương trong 16 phút 5 giây.

Hướng dẫn giải:

Khi điện phân dung dịch muối mà kim loại anot làm bằng chính kim loại ấy thì xảy ra hiện tượng cực dương ta (kim loại đề cập trong bài trên chính là Cu). Đến đây bài toán không có gì mới. Ta xem binh điện phân như một điện trở và tính toán bình thường. Riêng bình điện phân thì ta quan tâm tới dòng điện chạy qua bình điện phân, thời gian điện phân và khối lượng kim loại giải phóng ở điện cực. Lưu ý rằng khối lượng này tính bằng gam (g) chứ không phải bằng kilogam (kg).

a) Điện trở tương đương mạch ngoài:

b) Khối lượng đồng thoát ra ở cực dương: