-
Định luật Faraday về cảm ứng điện từ
Định luật này phát biểu rằng suất điện động cảm ứng trong một mạch kín tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông xuyên qua mạch đó. Suất điện động cảm ứng này sinh ra một dòng điện cảm ứng trong mạch.
Cụ thể hơn, độ lớn của suất điện động cảm ứng được tính bằng đạo hàm theo thời gian của từ thông xuyên qua mạch.
Công thức toán học:
$ \mathcal{E} = – \frac{d\Phi_B}{dt} $
Trong đó:
- $\mathcal{E}$ là suất điện động cảm ứng (đơn vị: Vôn – V)
- $\Phi_B$ là từ thông xuyên qua mạch (đơn vị: Weber – Wb)
- $t$ là thời gian (đơn vị: giây – s)
- Dấu trừ (-) thể hiện định luật Lenz, chỉ ra rằng chiều của dòng điện cảm ứng sẽ tạo ra một từ trường chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu. Nói cách khác, dòng điện cảm ứng luôn có xu hướng chống lại sự thay đổi từ thông đã sinh ra nó.
Định luật Faraday về điện phân
Định luật này liên quan đến khối lượng chất được giải phóng hoặc lắng đọng ở điện cực trong quá trình điện phân. Nó gồm hai phần:
- Định luật Faraday thứ nhất về điện phân: Khối lượng chất giải phóng hoặc lắng đọng ở điện cực tỷ lệ thuận với điện lượng đi qua dung dịch điện phân.
$ m = kQ = kIt $
Trong đó:
- $m$ là khối lượng chất giải phóng hoặc lắng đọng (đơn vị: gam – g)
- $Q$ là điện lượng (đơn vị: Coulomb – C)
- $I$ là cường độ dòng điện (đơn vị: Ampere – A)
- $t$ là thời gian (đơn vị: giây – s)
- $k$ là đương lượng điện hóa (khối lượng chất giải phóng hoặc lắng đọng bởi 1 Coulomb điện tích). $k$ phụ thuộc vào bản chất của chất đang được điện phân.
- Định luật Faraday thứ hai về điện phân: Đối với một điện lượng nhất định, khối lượng chất giải phóng hoặc lắng đọng ở điện cực tỷ lệ thuận với đương lượng gam của chất đó. Đương lượng gam của một chất bằng khối lượng mol của chất đó chia cho hóa trị của nó trong phản ứng điện phân.
$ m = \frac{MQ}{nF} = \frac{MIt}{nF} $
Trong đó:
- $M$ là khối lượng mol của chất (đơn vị: g/mol)
- $n$ là số electron trao đổi trong phản ứng điện phân (hay còn gọi là số oxi hóa)
- $F$ là hằng số Faraday (xấp xỉ 96485 C/mol)
Ứng dụng của Định luật Faraday
Định luật Faraday có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và kỹ thuật, bao gồm:
- Máy phát điện: Chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
- Động cơ điện: Chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, cũng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
- Biến áp: Thay đổi điện áp xoay chiều dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
- Nồi cảm ứng: Sử dụng dòng điện cảm ứng để tạo nhiệt.
- Điện phân: Sử dụng dòng điện để tách các chất hóa học, ứng dụng trong mạ điện, tinh luyện kim loại, sản xuất các chất hóa học như NaOH, Cl2…
- Cảm biến: Nhiều loại cảm biến sử dụng định luật Faraday để đo từ trường, chuyển động, hoặc dòng điện.
Định luật Faraday là một trong những định luật cơ bản của điện từ học, đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng các hiện tượng điện từ. Nó cung cấp nền tảng lý thuyết cho nhiều công nghệ quan trọng trong cuộc sống hiện đại.
Ví dụ minh họa Định luật Faraday về điện phân
Muốn mạ một lớp bạc lên một vật bằng đồng, ta dùng dung dịch $AgNO_3$ và cho dòng điện 1A chạy qua trong 1 giờ. Khối lượng bạc được mạ lên vật tính như sau:
- Phản ứng điện phân: $Ag^+ + e^- \rightarrow Ag$ (n = 1)
- Khối lượng mol của bạc (M): 107.87 g/mol
- Hằng số Faraday (F): 96485 C/mol
- Thời gian (t): 3600 s
- Cường độ dòng điện (I): 1 A
Áp dụng định luật Faraday thứ hai:
$ m = \frac{MIt}{nF} = \frac{107.87 \times 1 \times 3600}{1 \times 96485} \approx 4.025 g $
Vậy sau 1 giờ, có khoảng 4.025g bạc được mạ lên vật bằng đồng.
Giới hạn của Định luật Faraday
Mặc dù Định luật Faraday rất hữu ích, nó vẫn có một số giới hạn nhất định:
- Định luật Faraday về cảm ứng chỉ áp dụng cho các mạch kín. Nó không áp dụng cho các mạch hở. Tuy nhiên, vẫn có suất điện động cảm ứng được tạo ra trong mạch hở, nhưng không có dòng điện chạy qua.
- Định luật Faraday về điện phân giả định rằng các ion chỉ tham gia vào phản ứng điện phân và không có phản ứng phụ nào xảy ra. Trong thực tế, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Ví dụ, có thể xảy ra các phản ứng phụ ở điện cực hoặc trong dung dịch, làm giảm hiệu suất điện phân. Ngoài ra, định luật này cũng không tính đến các yếu tố như nồng độ ion, nhiệt độ, và bản chất của điện cực, mà những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến quá trình điện phân.
Định luật Faraday là một khái niệm cốt lõi trong điện từ học, liên kết sự biến thiên của từ thông với suất điện động cảm ứng và khối lượng chất biến đổi trong điện phân. Có hai khía cạnh chính cần ghi nhớ về định luật này. Thứ nhất, định luật Faraday về cảm ứng điện từ phát biểu rằng suất điện động cảm ứng ($\mathcal{E}$) trong một mạch kín tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông ($\Phi_B$) xuyên qua mạch: $\mathcal{E} = – \frac{d\Phi_B}{dt}$. Dấu trừ phản ánh định luật Lenz, chỉ ra rằng dòng điện cảm ứng luôn chống lại sự thay đổi từ thông đã sinh ra nó.
Thứ hai, định luật Faraday về điện phân mô tả mối quan hệ giữa khối lượng chất (m) được giải phóng hoặc lắng đọng ở điện cực trong quá trình điện phân với điện lượng (Q) đi qua dung dịch. Định luật này có hai phần: Phần thứ nhất nói rằng khối lượng chất tỷ lệ thuận với điện lượng: $m = kQ$, với k là đương lượng điện hóa. Phần thứ hai chỉ ra rằng với một điện lượng nhất định, khối lượng chất tỷ lệ thuận với đương lượng gam của chất và tỷ lệ nghịch với số electron trao đổi trong phản ứng: $m = \frac{MQ}{nF}$, với M là khối lượng mol, n là số electron trao đổi, và F là hằng số Faraday.
Cần lưu ý rằng định luật Faraday về cảm ứng chỉ áp dụng cho mạch kín. Đối với mạch hở, sẽ không có dòng điện cảm ứng dù có sự biến thiên của từ thông. Trong khi đó, định luật Faraday về điện phân giả định rằng không có phản ứng phụ nào xảy ra trong quá trình điện phân. Sự hiện diện của các phản ứng phụ có thể làm sai lệch kết quả tính toán khối lượng chất dựa trên định luật Faraday. Việc nắm vững các định luật Faraday và các giới hạn của chúng là rất quan trọng để hiểu và ứng dụng các hiện tượng điện từ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Tài liệu tham khảo:
- Halliday, David, Robert Resnick, and Jearl Walker. Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons, 2018.
- Serway, Raymond A., and John W. Jewett. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Cengage Learning, 2018.
- Tipler, Paul Allen, and Gene Mosca. Physics for Scientists and Engineers. W. H. Freeman, 2007.
- Young, Hugh D., and Roger A. Freedman. University Physics with Modern Physics. Pearson Education, 2019.
Câu hỏi và Giải đáp
Định luật Lenz nói gì và nó được thể hiện như thế nào trong công thức của định luật Faraday về cảm ứng điện từ?
Trả lời: Định luật Lenz phát biểu rằng dòng điện cảm ứng sẽ luôn có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó. Điều này được thể hiện bằng dấu trừ (-) trong công thức $\mathcal{E} = – \frac{d\Phi_B}{dt}$. Dấu trừ cho biết suất điện động cảm ứng (và do đó dòng điện cảm ứng) có chiều ngược lại với sự thay đổi của từ thông.
Đương lượng điện hóa (k) trong định luật Faraday về điện phân phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Trả lời: Đương lượng điện hóa (k) phụ thuộc vào bản chất của chất tham gia điện phân và hóa trị của ion của chất đó. Cụ thể, $k = \frac{M}{nF}$, trong đó M là khối lượng mol của chất, n là số electron trao đổi trong phản ứng điện phân, và F là hằng số Faraday.
Nếu một cuộn dây có 100 vòng và từ thông xuyên qua mỗi vòng giảm từ 0.05 Wb xuống 0 Wb trong 0.1 giây, suất điện động cảm ứng trong cuộn dây là bao nhiêu?
Trả lời: Áp dụng công thức $\mathcal{E} = – N\frac{d\Phi_B}{dt}$, ta có: $\mathcal{E} = -100 \times \frac{0 – 0.05}{0.1} = 50$ V.
Sự khác biệt giữa định luật Faraday về cảm ứng điện từ và định luật Faraday về điện phân là gì?
Trả lời: Định luật Faraday về cảm ứng điện từ mô tả mối quan hệ giữa từ thông biến thiên và suất điện động cảm ứng trong một mạch kín. Định luật Faraday về điện phân, mặt khác, mô tả mối quan hệ giữa điện lượng đi qua dung dịch điện phân và khối lượng chất được giải phóng hoặc lắng đọng ở điện cực. Mặc dù mang cùng tên, hai định luật này mô tả các hiện tượng vật lý khác nhau.
Ngoài máy phát điện và động cơ điện, hãy nêu một ứng dụng khác của định luật Faraday trong đời sống?
Trả lời: Một ứng dụng khác của định luật Faraday là bếp từ. Bếp từ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây bên dưới mặt bếp tạo ra từ trường biến thiên. Từ trường này cảm ứng dòng điện xoáy trong đáy nồi làm bằng vật liệu dẫn điện, sinh ra nhiệt để nấu chín thức ăn.
- Faraday không phải là một nhà toán học: Mặc dù định luật Faraday được biểu diễn bằng các công thức toán học, bản thân Michael Faraday lại không giỏi toán. Ông chủ yếu là một nhà thực nghiệm xuất sắc, dựa vào trực giác và khả năng quan sát để khám phá ra các hiện tượng điện từ. Các công thức toán học của định luật Faraday sau này được James Clerk Maxwell phát triển và hoàn thiện.
- “Vòng xoay Faraday” là chìa khóa dẫn đến phát hiện: Faraday đã thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng gọi là “vòng xoay Faraday”, trong đó một đĩa đồng quay giữa hai cực của một nam châm. Thí nghiệm này đã tạo ra một dòng điện liên tục, chứng minh sự liên hệ giữa từ trường và điện. Đây được coi là nguyên mẫu của máy phát điện hiện đại.
- Định luật Faraday và sự ra đời của “trường”: Khái niệm “trường” (field) như trường điện từ, một khái niệm cơ bản trong vật lý hiện đại, phần lớn được hình thành từ công trình nghiên cứu của Faraday. Ông tưởng tượng ra các “đường sức từ” để hình dung hóa tác động của từ trường, mặc dù không thể nhìn thấy chúng trực tiếp.
- Điện phân và “ion”: Công trình của Faraday về điện phân đã đóng góp vào sự hiểu biết về bản chất của điện tích và dẫn đến việc phát hiện ra “ion”. Thuật ngữ “ion” (tiếng Hy Lạp có nghĩa là “đi”) được Faraday đặt ra để mô tả các hạt mang điện di chuyển trong dung dịch điện phân.
- Hằng số Faraday và số Avogadro: Hằng số Faraday (F) có liên hệ mật thiết với số Avogadro (NA), một hằng số cơ bản trong hóa học. Tích của điện tích cơ bản (e) và số Avogadro bằng hằng số Faraday: F = eNA. Điều này cho thấy mối liên hệ sâu sắc giữa điện từ học và hóa học.
- Ứng dụng rộng rãi: Từ những chiếc máy phát điện khổng lồ trong các nhà máy điện đến những chiếc điện thoại thông minh nhỏ gọn trong túi của chúng ta, định luật Faraday đóng vai trò then chốt trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại. Nó là nền tảng cho sự phát triển của công nghệ và cuộc sống hiện đại.