4法拉第过程及影响因素
法拉第电磁感应定律发现过程
法拉第电磁感应定律发现过程嘿，朋友们！今天咱来聊聊法拉第电磁感应定律的发现过程，那可真是一段超级精彩的故事啊！迈克尔·法拉第，这可是个响当当的名字！他就像一位神奇的探险家，在电磁的世界里不断闯荡。
你想想看，当时的人们对于电和磁的理解还很模糊呢，就像在黑暗中摸索。
而法拉第呢，他有着无比的好奇心和执着劲儿。
他整天泡在实验室里，摆弄着各种线圈、磁铁啥的，就跟小孩子玩玩具似的。
他不断地尝试，不断地失败，但他可从来没气馁过。
这要是换了别人，估计早就放弃了吧。
有一次啊，他做了个实验，把一个线圈放在磁铁旁边，然后神奇的事情发生了！他竟然发现线圈里产生了电流！哇塞，这可把他激动坏了，就好像发现了新大陆一样。
这就好比你一直在黑暗中走路，突然看到了一丝光亮，那得是多么兴奋啊！法拉第就顺着这丝光亮继续探索。
他不断改进实验，思考着这其中的奥秘。
他就像一个解谜高手，一点点地揭开电磁世界的神秘面纱。
他发现，只要磁场发生变化，就会在线圈中产生电流。
这可不是一般的发现啊，这就像是打开了一扇通往新世界的大门！你说，这得多厉害啊！他的这个发现，直接让人们对电和磁的认识上升了好几个台阶。
从那以后，电磁学开始飞速发展。
各种电器、设备都冒了出来，我们的生活也变得丰富多彩。
要是没有法拉第，我们现在的生活能这么便利吗？那肯定不能啊！所以说啊，法拉第电磁感应定律可不是什么干巴巴的理论，那是法拉第用汗水和智慧换来的宝贝啊！我们得好好珍惜，得好好感谢法拉第这位伟大的科学家。
这就是法拉第电磁感应定律的发现过程，是不是很有意思？很神奇？它让我们看到了科学家们的执着和勇气，也让我们感受到了科学的魅力。
让我们一起为法拉第点赞，为科学点赞！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
第一章 电化学理论基础(1)
Nernst 公式(方程)
O + ze = R
E E0
0'
RT aO RT CO ln E 0' ln zF aR zF CR
E 称为形式电势 a=C
Double layers are characteristic of all phase boundaries 1V, 1nm, the field strength (gradient of potential) is enormous - it is of the order 107 V/cm. The effect of this enormous field at the electrodeelectrolyte interface is, in a sense, the essence of electrochemistry!
Electrolytic cell
Positive electrode
Negative electrode
Cathode
Anode
Anode
Cathode
电池
电解水
1.1 电化学体系的基本单元
1.1 电化学测量的基本知识
学习电化学测量的基本方法如下：
挠动信号
未知
响应信号
判断 分析
已知
对“未知”施加挠动信 号
1.2 电化学过程热力学
• 影响因素： 法拉第定律是科学中最准确的定律之一， 不受温度、压力、电解质浓度、电极材料 和溶质性质等因素影响，适用于电解池及 原电池过程。
离子的电迁移
离子的电迁移现象
电化学池：
anode cathode
原电池(Galvanic Cell)：化学能 电能 电解池(Electrolytic Cell)：电能 化学能 + + -
4.4法拉第电磁感应定律
Φ 4、应用:用公式 E n 求E的二种 t
常见情况：
1.磁感应强度B不变,垂直于磁场的回路 面积S发生变化,ΔS＝S2-S1,此时：
BS （动生电动势） En t
2.垂直于磁场的回路面积S不变,磁感应 强度B发生变化,ΔB＝B2-B1,此时：
SB En （感生电动势） t
例：如图所示，一个50匝的线圈的两端跟 R＝99Ω的电阻相连接，置于竖直向下的匀强 磁场中，线圈的横截面积是20㎝2，电阻为 1Ω，磁感应强度以100T／s的变化率均匀减 少。在这一过程中通过电阻R的电流为多大？ 解析：
(2)转过1/2周时ab边产生的瞬时感应电动势
思考: 转动1周的过程中ab边产生的感应电 动势哪个时刻最大?哪个时刻最小?
nBL1L2 sin E BLv sin 2
0 ω
(1)公式①中的时间趋近于0时，则E为瞬 时感应电动势 (2)公式②中v若代表平均速度，则E为平均 感应电动势。
a
d
L
b c
v
例：如图，匀强磁场的磁感应电动势为B，长为L的金
属棒ab在垂直于B的平面内运动，速度v与L成θ 角，
求金属棒ab产生的感应电动势。
E=BL(Vsinθ )
θ
a
E=B(Lsinθ )V
回路在时间t内增大的面积为：
ΔS=L(vΔt)
穿过回路的磁通量的变化为：
G
× × × × × × × × × × × ×
× × × × × × × × × × × ×
a
a
v
ΔΦ=BΔS =BLvΔt
产生的感应电动势为：
b
b
Φ BLvt E BLv t t
（V是相对于磁场的 速度）
3电化学部分理论
（6）气体析出反应： 气体析出反应： 溶液中的非金属离子发生还原或氧化反 应产生气体而析出， 应产生气体而析出，非金属离子的浓度不断 减小。 减小。 （7）腐蚀反应： 腐蚀反应： 金属的溶解反应， 金属的溶解反应，指金属或非金属在一 定的介质中发生溶解，电极的重量不断减轻。 定的介质中发生溶解，电极的重量不断减轻。
（3）极化的原因 ）
a. 浓差极化： 因离子扩散的迟缓性而导致电极表面附近离 子浓度与本体溶液中不同， 子浓度与本体溶液中不同，从而使电极电势与 发生偏离的现象，叫做“浓差极化” ψ可逆发生偏离的现象，叫做“浓差极化”。
例：铜电极在溶液中 Cu=Cu2++2e-
（ψCu，不可逆）阴<ψCu，可逆 ； Cu， Cu， （ψCu，不可逆）阳>ψCu，可逆 Cu， Cu， 因浓差极化而造成的电极电势与ψ可逆之差的绝 因浓差极化而造成的电极电势与ψ 对值，称为“浓差过电势” 对值，称为“浓差过电势”。 η浓差=|ψ平-ψ|=|ψ可逆-ψ|
式中： 析出物质的摩尔数； 式中：n—析出物质的摩尔数； 析出物质的摩尔数 Z—电极反应中 电极反应中1mol的电解质得失的电子数； 的电解质得失的电子数； 电极反应中 的电解质得失的电子数 Q—电量；I—电流；k—比例系数 电量； 电流 电流； 电量 比例系数
对于电极反应：OX + ze → Red 根据电流的定义和法拉第定律： i = dQ/dt 反应速度v可表示式： v=-(dnOx/dt) =-(dne/dt)=dnRed/dt= i/ZF 若电极反应是异相的，则 v = i/ZFA = J/ZF 式中：A—电极面积；J—电流密度 dn = dQ/ZF
（4）伴随着化学反应的电子迁移反应： 伴随着化学反应的电子迁移反应： 指存在于溶液中的氧化或还原物种借 助于电极实施电子传递反应之前或之后发生 了化学反应。 了化学反应。 （5）多孔气体扩散电极中的气体还原或氧 化反应： 化反应： 指气相中的气体（ 指气相中的气体（如O2或H2）溶解于 溶液后，再扩散到电极表面得到或失去电子。 溶液后，再扩散到电极表面得到或失去电子。 如镍氢电池。 如镍氢电池。
法拉第电磁感应定律课件
对于电磁感应中电势高低的判断，关键在于能否用等 效的观点分析问题，即寻找等效电源，然后结合电路 的知识加以判断．
(2)公式E＝Blvsinθ中的θ是v与B之间的夹角，当θ＝90°时E＝ Blv，因此导体垂直切割磁感线可以看成是导体不垂直切割磁 感线的一种特例．
如图所示，两个线圈套在同一个铁芯上，线圈的 绕向在图中已经表示．左线圈连着平行导轨M和N， 导轨电阻不计，在垂直导轨方向上放着金属棒ab，金 属棒处于垂直纸面向外的匀强磁场中．下列说法中正 确的是( )
当 ab 棒向右做加速运动时，由右手定则知电流从 a→b， φa<φb；根据右手螺旋定则可判定右线圈磁感线从下而上穿 入，且磁通量逐渐变大，应用楞次定律判断右边的电路电流 为逆时针方向，即从 d→R→c→d.而在右线圈和 R 组成的电 路中，感应电流仅产生在线圈部分，这个线圈相当于电源， 由于电流是从 c 沿电源内部(右线圈)流向 d，所以，d 点电势 高于c点电势，故 D 项正确．
法拉第电磁感应定律
1．定义：当闭合电路中磁通量发生变化时，电路中产生感应电 流，则必然有电动势，此电动势叫感应电动势．
2．产生条件：不管电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生 变化，电路中就会产生感应电动势．
3．产生感应电动势部分的电路特点
产生感应电动势的那部分电路相当于电源，属内电路，电流由电 势较低处流向电势较高处．一般分两种情况：一种是部分导体 在磁场中切割磁感线而成为电源；一种是导体围成的面积上有 磁通量的变化(如磁感应强度变化或有效面积变化)而成为电 源．
A．当金属棒向右匀速运动时，a点电势高于b点电势，c点电势高于d点 电势
B．当金属棒向右匀速运动时，b点电势高于a点电势，c点与d点为等电 势点
C．当金属棒向右加速运动时，b点电势高于a点电势，c点电势高于d点 电势
高中物理第四章电磁感应4法拉第电磁感应定律教案选修32
第四节 法拉第电磁感应定律1.教学目标1．理解法拉第电磁感应定律的内容及数学表达式。
2．知道公式E ＝Blv 的推导过程。
3．会用E ＝n ΔΦΔt和E ＝Blv 解决问题。
分析前面几节的内容是从感应电流的角度来认识电磁感应现象的。
本节是从感应电流进一步深入到感应电动势来理解的，即研究“决定感应电动势大小的因素”。
教科书在这个问题的处理上并没有通过实验探究，而是以陈述事实的方式，引入法拉第电磁感应定律，即教科书用“在法拉第、纽曼、韦伯等人工作的基础上，人们认识到……感应电动势……成正比”的表述给出了电磁感应定律。
教科书之所以这样处理，是力图通过这一物理规律的教学，充分体现人类认识事物的一种真实图景。
也就是说，物理学中多数定律的得出，并不一定是直接归纳的结果，而是在分析了很多间接的实验事实后被“悟”出来的，并且定律的正确往往也是由它的推论的正确性来证实的。
3.教学重点难点本节教学的重点和难点都是对法拉第电磁感应定律的理解与应用。
导入新课：教学任务1：温故知新，通过问题和图片导入新课。
师生活动：问题导入：【问题1】 每日一题见课件。
学生作答，其他学生补充。
【问题2】 对比两图，观察有何异同？引入新课：在电磁感应现象中，产生感应电流的那部分导体就相当于电源，其所在电路就是内电路，电源的电动势就是感应电动势。
在电磁感应现象中，不论电路是否闭合，只要穿过电路的磁通量发生变化，电路中就有感应电动势，有感应电动势是电磁感应现象的本质。
因此研究感应电动势比研究感应电流更有意义。
那么感应电动势的大小跟哪些因素有关？这节课要研究感应电动势的大小跟哪些因素有关的问题。
推进新课教学任务2：探究感应电动势的大小跟哪些因素有关。
问题导入：【问题1】上节课我们用实验探究的方法找到了感应电流方向的规律，这节课我们是否可以再用同样的器材来探究感应电动势的大小跟哪些因素有关？【问题2】怎样判断感应电动势的大小？如果不能直接测量，可以用测量哪些量来代替电动势？【问题3】感应电流的方向跟磁通量的变化量有关，那么感应电动势的大小是否也跟磁通量的变化有关，用实验的方法怎样来研究这个问题？学生活动：【学生分组实验探究】将条形磁铁插入线圈中。
应用电化学-1-4-法拉第过程动力学
05
展望与未来研究方向
新型电化学反应动力学的探索
1 2
探索新型电化学反应机理
深入研究电化学反应过程中的电子转移、质子传 递和物质传递机制，发现新的反应路径和动力学 模型。
开发高效电催化剂
通过设计新型电催化剂，提高电化学反应的活性 和选择性，降低能耗和减少副反应。
3
探索多电子转移反应
研究多电子转移过程的机理和动力学，为开发高 效能源转换和储存技术提供理论支持。
01
反应速率方程描述了电化学反应 速率与反应物浓度的关系，通常 采用Arrhenius方程或修正的 Arrhenius方程来描述。
02
Arrhenius方程形式为：k=Ae^(Ea/RT)，其中k为反应速率常数， A为频率因子，Ea为活化能，R为 气体常数，T为绝对温度。
电极过程动力学方程
电极过程动力学方程是用来描述电极上电流密度与电化学反 应速率之间的关系，通常采用Butler-Volmer方程来描述。
应用领域
广泛应用于电化学能源转换与存储、电化学合成、 电镀等领域。
法拉第过程动力学的重要性
理论指导
法拉第过程动力学为电化学反应 的设计和优化提供了理论指导， 有助于理解反应机制和提高反应 效率。
实际应用
通过研究法拉第过程动力学，可 以开发高效的电化学反应技术和 设备，推动相关领域的技术进步 和产业发展。
实验方法
通过控制反应条件，如温度、压力、 浓度等，测定电化学反应速率，从而 计算出反应速率常数。
实验设备
实验结果
通过实验结果可以得出反应速率常数 与反应条件之间的关系，为优化反应 条件和控制反应过程提供依据。
需要使用电化学工作站、恒温水浴、 压力控制器等设备。
法拉第发现电磁感应定律的过程
法拉第发现电磁感应定律的过程
法拉第所做的由于磁场的变化在导体中感生出电流的实验。
他仔细分析了电流的磁效应等现象，认为现在已经发现了电流产生磁的作用，电流对电流的作用，那么反过来，磁也应该能产生电。
实验过程被他的日记记载。
法拉第由此实验开始得出了电磁感应定律，发明了发电机等对人类文明有着深远意义的影响。
本词条还记录了同一时期，其他科学家对于磁生电的想法与成果。
1831年11月24日，法拉第写了一篇论文，向英国皇家学会报
告了整个实验情况，他把可以产生感应电流的情形概括为五类：⑴变化着的电流；⑵变化着的磁场；⑶运动的稳恒电流；⑷运动的磁铁；
⑸在磁场中运动的导体。
他正确地指出感应电流与原电流的变化有关，而与原电流本身无关。
法拉第把上述现象正式定名为“电磁感应”。
至此，法拉第作出了划时代的发现——电磁感应现象。
但电磁感应的规律，一直到1851年才最后建立。
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⑸ 多孔气体扩散电极中的气体还原或氧化反应： 气相中的气体溶解于溶液后，在扩散到电极表面， 借助于气体扩散电极得到或失去电子，提高了电 极过程的电流效率。
⑹ 气体析出反应：某些存在于溶液中的非金属离 子借助于电极发生还原、氧化反应产生气体而析 出。反应过程中，电解液中非金属离子的浓度不 断减小。
⑺ 腐蚀反应：金属的溶解反应，金属或非金属在 一定的介质中发生溶解，电极的重量不断减轻。
图1.12 电化学极化控制的电极反应的电流与超电 势的关系
i-η方程的几种近似处理：
①低超电势时的线性特性
e 1 x，当超电势η足够小， 当x很小时， 方程（1.43）可简化为：
x
i i0 ( zF
RT
)
表明：在接近平衡电势的狭小范围内，电极反应 的电流密度与超电势呈线性关系，具有电阻的因次， 称为电荷传递电阻或电化学反应电阻。
位影响。在许多电化学反应中，电极电势每改变1V可使电
极反应速度改变1010倍，电极反应的速度可以通过改变电 极电势加以控制（因为通过外部施加到电极上的电位可以 自由地改变反应的活化能）。 ②电极反应的速度还依赖于电极/电解质溶液界面的双电层结 构，电极反应的速度可以通过修饰电极的表面而改变。
• 电极反应动力学的主要任务：确定电极过程的各步 骤，阐明反应机理、速度方程、掌握电化学反应的 规律。 • 电化学反应的核心步骤：电子在电极/溶液界面上的 异相传递。 • 对于可逆电极反应：平衡态用Nernst方程表达：
( zF zF i i0 exp ( ) exp ) RT RT
表明了电流i与电势η 的关系，同样可以称ButlerVolmer方程。 电化学极化控制的电极反应：电流随着超电势的变化 而变化，当超电势增加到一个足够大的数值时，电流 将陡直上升，并不出现极限电流，如图所示(1.12)。
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH-
“内壳层”催化（化学氧化---还原催化）：当反 应物的总电化学反应中包括旧键的断裂和新键的形 成时，发生在电子转移步骤的前后或其中而产生了 某种化学加成物或某些其他的电活性中间体，总的 活化能会被某些“化学的”氧化---还原催化剂所降 低。 如酸性介质中甲醇在Pt电极上的电催化氧化反应。
'
Tafel方程： a b lg i 简单电子迁移情形，电极反应表示为：
* COX RT ln * zF CR
OX ze Re d
正反应和逆反应的速率常数分别为Kf和Kb，量纲cm/s。
电流与超电势的关系
，代入（ eq 电极电势与超电势的关系： 1.36）得：
图1.13 典型的Tafel曲线
③Tafel方程 Tafel 方程只适用于不存在物质传递对电
流影响的情况，即极化超电势较大。如果
电极反应动力学过程相当容易，在超电势 不是很大时，就能够达到物质传递的极限 电流，Tafel 方程不适用。 Tafel 行为是完全 不可逆电极过程的标志， Tafel 曲线是求解 电极过程动力学参数的有力工具。
浓差极化：因浓度梯度存在而引起，其超电势称为浓差超电 势(ηmt) 电化学极化：因电荷传递步骤控制而引起，其超电势称为电 化学极化超电势(ηrct) 化学极化：伴随化学反应而产生的极化，其超电势称为化学 反应超电势(ηrxn)
5.电极反应动力学简介
• 电极反应的特点：
①电极反应的速度不仅与温度、压力、溶液介质、固体表面 状态、传质条件等有关，而且受施加于电极/溶液界面电
zF
速度的大小 可以通过流 过的电流大 小来表示
由动力学知识，电极上的反应速度可表示为：电化学反应
v ( dnOx ) ( dt ) dt dt i zF
• 由于电极反应是一个两相界面上的异相过程，所 以反应速度用电流密度表示：
v i
J—A/cm2， 对于发生于异相界面的电极反应，施加在工作电极上的电 势表示反应难易程度，电流则显示反应速度。 电极反应由一系列过程控制，如以下几种： （1）物质传递：反应物从溶液本体相传递到电极表面，产 物从电极表面传递到本体溶液。 （2）电极/溶液界面的电子传递（异相过程）。 （3）电荷传递反应前置或后续的化学反应：可能是均相， 也可能是异相过程 （4）吸脱附、电沉积等其他的表面反应。
5、电极反应动力学简介
电 法拉第过程 极 反 应 非法拉第过程
发生电荷传递反应
仅界面结构发生变 化
1.4 法拉第过程及影响电极反应速率因素
1.电极反应种类和机理 基本电荷迁移过程： • 阴极还原过程：Ox + ne → Red
• 阳极氧化过程：Red → Ox + ne
⑴ 简单电子迁移反应： 电极/溶液界面的溶液一侧的氧化、还原物种借 助于电极得到或失去电子，生成还原或氧化态的 物种而溶解于溶液中，电极在经历氧化-还原后其 物理化学性质、表面状态等不发生改变。 如Pt电极上： Fe 3+ + e → Fe 2+
体系的电化学研究
未知体系的研究： 向体系施加一激励信号（热信号、电信号、光信号）， 然后观察体系的一些其他性质函数的变换，从而了解 体系的一些性质。如下（a)图(b)图所示：
已知体系的研究： 将化学物质的变化归结为电化学反应，也就是以体系中 的电位、电流或电量作为体系中发生化学反应的量度进 行测定的方法。
zFA
j
zF
一般电极反应的途径
极化(polarization)：当法拉第电流通过电极时，电极电势偏离 平衡值的现象。电极电势偏离平衡值越大，极化的程度越大， 通常用超电势η(overpotential)来表示，即η= E - Eeq。阴极极 化使电极电势变负(η =φeq-φc)，阳极极化使电极电势变正(η= φa-φeq)通过的电流越大，电极电势偏离平衡值越大，超电势越 大。极化分为：
⑴电极变量：材料、表面积（ A ）、几何形状、 表面状态 ⑵物质传递变量：模型（扩散、对流）、表面浓 度、吸附（机理）
⑶溶液的变量：电活性物质的本体浓度（ Cox 、 CR）、其他物质的浓度（电解质、pH等）、溶剂 ⑷外部变量：温度（T）、压力（p）、时间（t）
⑸电学变量：电势（ E ）、电流（ i ）、电量（ Q ）
2.伴随着化学反应的电子迁移反应的机理
（1）CE机理：发生电子迁移之前发生化学反应 通式：X←→Ox + ne ←→ Red 如酸性介质中HCHO的还原反应：
（2） EC机理：发生电子迁移之后发生化学如反应 通式： Ox + ne ←→ Red ←→ X 如对氨基苯酚在Pt电极上的还原反应：
包括：随后质子转移过程的有机物还原， 金属电极在含配合物介质中的阳极溶解等。
⑵ 金属沉积反应：溶液中的金属离子从电极上得到电子还 原为金属，附着于电极表面，电极表面状态与沉积前相比 发生了变化。
如Cu电极上Cu 2+的还原
⑶ 表面膜的转移反应：覆盖于电极表面的物种（电极一侧） 经过氧化—还原形成另一种附着于电极表面的物种（氧化 物、氢氧化物、硫酸盐等）。 比如：铅酸电池中正极的放电反应，PbO2还原为PbSO4。 PbO2(s) +4H++SO4 2- +2e → PbSO4(s) + 2H2O ⑷ 伴随着化学反应的电子迁移反应：存在于溶液中的氧化 或还原物种借助于电极实施电子传递反应之前或之后发生 的化学反应。如碱性介质中丙烯腈的反应。
a b lg i
a (2.303RT
（Tafel方程）
zF ) lg i0
b 2.303RT
zF
• 阳极氧化高超电势时：
( RT zF ) ln i0 ( RT zF ) ln i
根据（1.47）和（1.49），以lni对η 作图，应得直 线（Tafel曲线），根据图上直线的截距，求得i0；根 据直线的斜率，求得α 、β （见图1.13）。
（4）ECE机理：氧化还原物种先在电极上发生 电子迁移反应，接着又发生化学反应，在此两 反应后又发生电子迁移反应，生成产物。 如对亚硝基苯酚的还原反应：
3. 电化学实验及电化学电池的变量
对于一个体系的电化学研究，包括维持电化学池 的某些变量固定，改变其它量，需要全面了解影 响电化学体系的变量。
影响电极反应速度的主要变量：
R ct RT
zF
i0Leabharlann ②高超电势时的Tafel行为 当电极上发生阴极还原反应，且η很大时， ( zF zF exp ) exp( ) 》 1.43）简化为： RT ，方程（ RT
i i0 exp ( zF
RT
)
（1.47）
对于一定条件下指定电极上发生的特定反应， 和 为确定的值，方程（1.47）可以简化为：
（3）催化机理：EC机理中的一种，在电极和溶液 之间的电子传递反应，通过电极表面物种氧化-还 原的媒介作用，使反应在比裸电极低的超电势下 发生，属于“外壳层”催化。 通式： Ox + ne ←→ Red E步骤 Red + X ←→ Ox + Y C步骤 如Fe3+/Fe2+电对催化H2O2的还原反应： H2O2 + e → OHFe3+ + e → Fe2+
复习旧课
1.3 非法拉第过程及电极溶液界面的性能 1、电容器
2、双电层理论
3、零电荷电势、电毛细曲线、G-D方程、 合理电势
本节课学习内容
1.4 法拉第过程及影响电极反应的因素
1、电极反应种类和机理
2、伴随着化学反应的电子迁移反应的机理
3、电化学实验及电化学电池的变量
4、影响电极反应速度的因素及电极的极化
电化学测定方法的优点： （1）测定简单；可将一般难以测定的化学量直接 转变成容易测定的电参数； （2）测定灵敏度高；