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。
应用电化学 法拉第过程
1.3、法拉第过程和电极反应
1、电化学反应速度的表示式
正向速度： 逆向速度：
Oxze kkbf Red vf kf cOsx vb kbcRs
净速度：
vnet kfcO sxkbcR s
1.3、法拉第过程和电极反应
根据化学动力学：
电极反应是多相反应，电流常用单位面积的电流 密度来描述：
电化学反应速度可以通过电流密度的直接测量而 求得。
EC机理：电极/溶液界面发生电子迁移之后发生化学 反应 通式： Ox + ne ←→ Red ←→ X
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
v 1 dc S dt
采用电流表示：
j nFv nF 1 dc S dt
• 控制电极反应速度的几大过程
电极的极化
极化(polarization)：有电流通过时，电极电势 偏离平衡电势的现象
过电势(超电势)(overpotential)：在一定电流密
度下，电极电势与平衡电势的差值 平
极化 电极反应动力学简介
电极反应种类
简单电子迁移反应 金属沉积反应 表面膜的转移反应 伴随着化学反应的电子迁移反应 多孔气体扩散电极中的气体还原或氧化反应 气体析出反应 腐蚀反应
简单电子迁移反应:指电极/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 程还原或氧化态的物种而溶解于溶液中，而电极 在经历了氧化-还原后其物理化学性质和表面状态 等并未发生变化。 例.在Pt电极上发生的Fe3+还原为Fe2+的反应
第一章 电化学理论基础
B.金电极（Gold electrode）
在阴极区电位窗口比较宽，易与汞形成汞齐， 但是在HCl水溶液中易发生阳极溶解，并且很难 把金封入玻璃管中，即制作电极比较麻烦。常用 金电极测定正电位一侧的电化学反应，而相同形 状的汞齐化的金电极常用来研究负电位一侧的还 原反应。
C.碳电极（Carbon electrode）
电极的分类 根据电极组成分为 ：
①金属电极。由金属及相应离子组成，其特点是 氧化还原对可以迁越相界面，如铜电极 Cu2+｜Cu。 （第一类电极） ②氧化还原电极。由惰性金属电极及溶液中氧 化还原离子对组成，其特点是氧化还原对不能 迁越相界面。如Pt｜Fe2+，Fe3+等（零类电极）
③气体电极。由惰性金属电极及氧化还原对中一个 组元为气体组成的，如氢电极 Pt ｜ H2(g) ） H+ （ aq ） （零类电极）
一、可逆电化学过程的热力学
1. 电池的可逆性 可逆电极必须具备的两个条件： （ 1 ）电池反应是可逆的。如 ZnZnSO4 电极， 其电极反应为：
Zn 2e Zn
2
（2）电池在平衡条件下工作
所谓平衡条件下就是通过电极的电流等于0或 电流无限小，只有在这种条件下，电极上进行的 氧化反应和还原反应速率才能被认为是相等的
Q n zF
或
Q nzF
电极上发生反应的物质的质量m为：
Q m nM M zF
法拉第常数在数值上等于1mol元电荷的电量。 已知元电荷电量为 1.6022 1019 C
F=L· e
=6.022×1023 mol-1×1.6022×10-19 C
=96484.6 C· mol-1 ≈96500 C· mol-1
高中物理 法拉第电磁感应定律 (提纲、例题、练习、解析)
法拉第电磁感应定律【学习目标】1．通过实验过程理解法拉第电磁感应定律，理解磁通量的变化率tϕ∆∆，并能熟练地计算；能够熟练地计算平均感应电动势（E ntϕ∆=∆）和瞬时感应电动势（sin E BLv α=），切割情形）。
2．了解感生电动势和动生电动势产生机理。
3．熟练地解决一些电磁感应的实际问题。
4．理解并运用科学探究的方法。
【要点梳理】要点一、感应电动势在电磁感应现象中产生的电动势叫做感应电动势，产生感应电动势的那部分导体相当于电源。
要点诠释：（1）感应电动势的存在与电路是否闭合无关。
（2）感应电动势是形成感应电流的必要条件。
有感应电动势（电源），不一定有感应电流（要看电路是否闭合），有感应电流一定存在感应电动势。
要点二、法拉第电磁感应定律1．定律内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。
2．公式：ФE nt ∆=∆。
式中n 为线圈匝数，Фt∆∆是磁通量的变化率，注意它和磁通量西以及磁通量的变化量21ФФФ∆=-的区别。
式中电动势的单位是伏（V ）、磁通量的单位是韦伯（Wb ），时间的单位是秒（s ）。
要点诠释：（1）感应电动势E 的大小决定于穿过电路的磁通量的变化率Фt∆∆，而与Ф的大小、Ф∆的大小没有必然的联系，和电路的电阻R 无关；感应电流的大小和E 及回路总电阻R 有关。
（2）磁通量的变化率Фt∆∆是Фt -图象上某点切线的斜率。
（3）公式ФE k t∆=⋅∆中，k 为比例常数，当E 、Ф∆、t ∆均取国际单位时，1k =，所以有ФE t∆=∆。
若线圈有n 匝，则相当于n 个相同的电动势Фt∆∆串联，所以整个线圈中电动势为ФE nt∆=∆。
（4）磁通量发生变化有三种方式：一是Ф∆仅由B 的变化引起，21||B B B ∆=-，B E nSt ∆=∆；二是Ф∆仅由S 的变化引起，21||S S S ∆=-，SE nB t∆=∆；三是磁感应强度B 和线圈面积S 均不变，而线圈绕过线圈平面内的某一轴转动，此时21||ФФE n t -=∆。
§4.4法拉第电磁感应定律
§4.4法拉第电磁感应定律李洋一、教材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，而是一陈述事实的方式，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，并且定律的正确性往往也是有他的推论的正确性来验证的。
因此，本节教学不要求通过实验探究来建立规律。
二、学情分析通过前面几节的学习，学生已经知道：当闭合线圈里的磁通量发生变化的时候，线圈里就会产生感应电流；再结合到电路的相关知识，学生不难理解：既然在闭合回路里产生了电流，那就一定存在着电源，也就不难理解会产生感应电动势了，但对影响感应电动势大小的因素缺乏直观的认识，可能在理解上会存在一定的困难。
另外公式：tn E ∆∆Φ=和BLv E =的推导过程学生可能不能够独立完成，故需加强指导。
三、教学策略1、本节教学的设计的总体思路：首先，建立感应电动势概念；其次，通过对实验的定性分析，探索感应电动势的大小跟那些因素有关；随后，得出感应电动势大小的一般表达式tn E ∆∆Φ=；最后，再利用发来第电磁感应定律对“导线切割磁感线时的感应电动势”和“反电动势”这两种特殊情况进行分析。
2、本节教学的重点是法拉第电磁感应定律，为突出重点教师应重点强调，同时教师应该带领学生推导法拉第电磁感应定律的数学表达式tn E ∆∆Φ=等。
3、难点是磁通量的变化及磁通量的变化率的理解，为突破难点，教师可以通过以下方法来实现：（1）、利用上一节的演示实验演示磁通量的变化及磁通量的变化的快慢，以此加强学生的直观印象。
第四节 法拉第电磁感应定律
第四节 法拉第电磁感应定律【学习目标】（1）、知道感应电动势,及决定感应电动势大小的因素。
（2）、知道磁通量的变化率是表示磁通量变化快慢的物理量，并能区别Φ、ΔΦ、t ∆∆Φ。
（3）、理解法拉第电磁感应定律内容、数学表达式。
（4）、知道E =BLv sin θ如何推得。
（5）、会用t n E ∆∆Φ=解决问题。
（6）、经历探究实验，培养动手水平和探究水平。
（7）、通过推导导线切割磁感线时的感应电动势公式E =BLv ，掌握使用理论知识探究问题的方法。
（8）、通过比较感应电流、感应电动势的特点，把握主要矛盾。
【自主学习】一、温故知新：1、在电磁感应现象中，产生感应电流的条件是什么？2、恒定电流中学过，电路中存有持续电流的条件是什么？3、在发生电磁感应的情况下，用什么方法能够判定感应电流的方向？二、引入新课1、问题1：既然会判定感应电流的方向，那么，怎样确定感应电流的强弱呢？2、问题2：如图所示，在螺线管中插入一个条形磁铁，问①、在条形磁铁向下插入螺线管的过程中,两电路中是否都有电流?为什么?②、有感应电流,是谁充当电源?③、上图中若电路是断开的，有无感应电流电流？有无感应电动势？3、产生感应电动势的条件是什么？4、比较产生感应电动势的条件和产生感应电流的条件你有什么发现？三、实行新课（一）、探究影响感应电动势大小的因素上节课的实验，我们可用磁通量的变化率来解释：实验中，将条形磁铁快插入（或拔出）比慢插入或（拔出）时，t∆∆Φ大，I 感 ，E 感 。
实验结论：电动势的大小与磁通量的变化 相关，磁通量的变化越 电动势越大,磁通量的变化越 电动势越小。
（二）、法拉第电磁感应定律t ∆∆Φ越大，E 感越大，即感应电动势的大小完全由磁通量的变化率决定。
精确的实验表明：电路中感应电动势的大小，跟穿过这个电路磁通量的变化率成正比，即E ∝t ∆∆Φ。
这就是法拉第电磁感应定律。
法拉第电磁感应定律的表达式 E =k t∆∆Φ 在国际单位制中，电动势单位是伏（V ），磁通量单位是韦伯（Wb ），时间单位是秒（s ），能够证明式中比例系数k =1，则上式可写成E =设闭合电路是一个N 匝线圈，且穿过每匝线圈的磁通量变化率都相同，这时相当于N 个单匝线圈串联而成，所以感应电动势变为 E =t ∆∆Φ 1.内容：电动势的大小与磁通量的变化率成正比2.公式：ε=N t∆∆Φ 3.定律的理解：⑴磁通量、磁通量的变化量、磁通量的变化量率的区别Φ、ΔΦ、ΔΦ／Δt⑵感应电动势的大小与磁通量的变化率成⑶感应电动势的方向由 来判断⑷感应电动势的不同表达式由磁通量的的因素决定：当ΔΦ＝ΔＢＳcos θ则ε＝当ΔΦ＝ＢΔＳcos θ则ε＝当ΔΦ＝ＢＳΔ(cos θ)则ε＝4、特例——导线切割磁感线时的感应电动势如上图所示电路，闭合电路一部分导体ab 处于匀强磁场中，磁感应强度为B ，ab 的长度为L ，以速度v 匀速切割磁感线，求产生的感应电动势？这是导线切割磁感线时的感应电动势计算更简捷公式，需要理解（1）B,L,V 两两 （2）导线的长度L 应为 长度（3）导线运动方向和磁感线平行时，E=（4）速度V 为平均值（瞬时值），E 就为 （ ）问题：当导体的运动方向跟磁感线方向有一个夹角θ，感应电动势可用上面的公式计算吗？如图所示电路，闭合电路的一部分导体处于匀强磁场中，导体棒以v 斜向切割磁感线，求产生的感应电动势。
应用电化学 第二章 电化学基础理论 第二节 电化学过程热力学
r Gm RT ln K ,T , P a
r H m ZEF ZFT E
r S m ZF E
T
T
P
P
ห้องสมุดไป่ตู้
rU m QR W f ,max ZFT E
T
P
ZEF
7
W、Q不同，不可逆过程电功Wi,f为
Wi , f ZVF
5
体积功为0时，由热力学第一定律，得电池反应内能变化为：
rU m QR W f ,max ZFT E
T
P
ZEF
6
二、不可逆电化学过程的热力学
实际电化学过程有一定电流通过，为不可逆过程。等温、等压、反应进度 §=1mol时，不可逆电池的 rGm, rHm, rSm, rUm与可逆电池相同：
不可逆电解过程热效应：
Qi, rU m Wi, f ZFT E T ZF ( E V )
ZFT E
) T
P
P
可逆电解时吸收的热量；
-ZF(V-E)为克服电解过程各阻力放出的热量
实际电解过程中，体系放出热量，需移走热量、维持温度恒定。
9
EӨ标准电动势
ln K zF
a
KӨ电池反应的平衡常数
温度系数
r H m zEF zFT E
T
P
4
电池短路时（不作电功，直接发生化学反应）热效应
QP r H m
r S m zF E
T
（电池反应的熵变）
P
等温可逆电池反应热效应：
电池的法拉第效率
电池的法拉第效率作为电池专家，对电池的各项性能及参数都有着深入了解，法拉第效率就是其中之一，下面是有关其定义、意义和影响因素的具体解释：一．定义：法拉第效率，又称电流效率，在电池中通常用来描述在充放电过程中，实际生成物和理论生成物的百分比。
简而言之，它衡量了电池在充放电时电荷的转换效率。
二．意义：法拉第效率对于评估电池性能至关重要。
一个高效的电池应当在充放电循环中尽可能地接近100%的法拉第效率，这意味着电池能够最大程度地利用输入的电能或产生的电能。
在实际应用中，由于各种内部和外部因素的影响，法拉第效率往往低于100%。
了解和优化法拉第效率有助于设计出更经济、更持久、性能更优的电池系统。
三．影响因素：电极材料：不同的电极材料具有不同的电化学活性，直接影响电荷的转移效率。
电解液：电解液的组成和性质会影响离子的传输速率和电极反应的动力学。
温度：温度变化会影响电极反应速率和电解液的离子电导率。
电池设计：包括电极的厚薄、隔膜的选择等都会影响到法拉第效率。
充放电速率：快速的充放电过程可能导致电荷转移不完全，从而降低法拉第效率。
四．实际应用中的重要性：能量密度与续航：法拉第效率直接影响电池的能量密度和续航能力。
如果法拉第效率低，意味着在充放电过程中有大量的能量损失，这会降低电池的实际使用效果。
循环寿命：电池的循环寿命也与法拉第效率密切相关。
在多次充放电循环中，如果法拉第效率能保持稳定，那么电池的寿命将会更长。
安全性与经济性：法拉第效率的提高有助于减少电池在充放电过程中的热量产生，从而提高电池的安全性。
同时，高效率也意味着更低的成本，因为较少的电能被浪费。
五．提高法拉第效率的策略：材料选择：选择具有高电化学活性的电极材料和合适的电解液是提高法拉第效率的关键。
例如，使用具有高比表面积和优良导电性的电极材料可以增加反应活性位点，从而提高电荷转移效率。
电池结构优化：优化电池的内部结构，如减小电极间距、增加电解液的浸润性等，可以降低内阻，减少能量损失。
氧还原 法拉第效率
氧还原法拉第效率摘要：1.氧还原反应简介2.法拉第效率的定义及意义3.影响法拉第效率的因素4.提高法拉第效率的方法5.应用案例及前景正文：氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）是指在电化学过程中，氧气在电极表面转化为水或羟基的反应。
这一反应在许多电化学能源系统中具有重要意义，如燃料电池、金属空气电池和电解水制氢等。
评价氧还原反应性能的一个重要指标是法拉第效率（Faradaic Efficiency）。
法拉第效率是指在单位时间内，通过电极的反应物物质的量与电子转移数目的比值。
它可以衡量电化学反应过程中电子转移的效率，从而反映出反应的实质。
法拉第效率的计算公式为：法拉第效率= （通过电极的反应物物质的量/ 电子转移数目）× 100%影响法拉第效率的因素主要包括：1.电极材料：电极材料的性质直接影响氧还原反应的速率和平衡状态。
例如，使用贵金属催化剂如铂、钯等可以提高法拉第效率。
2.电解质：电解质的类型和浓度对法拉第效率有显著影响。
合适的电解质可以提高反应速率和法拉第效率。
3.反应条件：如温度、压力、气体流量等，这些条件可通过改变反应物浓度和反应速率常数来影响法拉第效率。
提高法拉第效率的方法有：1.选择高效的催化剂：如使用贵金属、碳纳米管、金属有机框架等材料作为催化剂，可提高氧还原反应的法拉第效率。
2.优化电极结构：通过改变电极的形貌、组成和厚度等参数，提高反应速率和法拉第效率。
3.改进电解质系统：选择合适的电解质，如固体电解质、离子液体等，可提高法拉第效率。
在实际应用中，提高法拉第效率对于提高能源转换系统的性能具有重要意义。
例如，在燃料电池中，提高氧还原反应的法拉第效率可以增加功率输出，提高能源利用率。
未来，随着新能源技术的不断发展，氧还原法拉第效率的研究将更具挑战性和实用性。
法拉第反应储存机制
法拉第反应储存机制法拉第反应是一种新颖的电化学反应，它在电池领域中占据着重要的地位。
在电池的充放电过程中，法拉第反应实际上就是电池中的电子传递过程。
而现今，研究人员发现法拉第反应还具有卓越的能量储存效果，可以用于开发更高效、更可持续的电池储存技术。
法拉第反应是指在两个电化学电位不同的电极之间传递电子的过程。
在电池中的充电过程中，正极材料被氧化产生电子，而这些电子会通过电解质传导到负极材料上，还原负极材料。
这个过程就是法拉第反应，可以用下面这个方程式来表示：A^+ + xe^- ⇌ A其中A代表电极上的正极或负极材料，A^+代表离子化的正极或负极离子，而e^-代表电子。
在电池的放电过程中，会有相反的反应发生，即电子会从负极材料向正极材料流动。
通过这种方式，电池可以储存能量并用于输出电流。
然而，在传统电池中，法拉第反应只是一种将电荷储存在电池中的方式。
而在新型电池中，研究人员发掘出法拉第反应更为深刻的储存机制。
以锂离子电池为例，锂离子电池的正极材料是一种锂含量较高的氧化物（比如锂钴氧化物），而负极材料是一种碳材料（比如石墨），电解液中则含有锂离子。
在充电过程中，锂离子会通过电解液进入负极材料，同时从正极材料中释放出电子。
而在放电过程中，锂离子则会从负极材料中离开，通过电解质向正极材料流动，同时正极材料则会接收来自电解质中的电子进行还原。
这个过程中，法拉第反应则是锂离子在负极材料和电解液之间传递，电子在正极材料和电解液之间传递的过程。
如何利用法拉第反应储存更多的能量？一个可能的解决方案是增加电池的电解液容量，这样就可以增加锂离子的储存量，从而储存更多的能量。
但是，这样做的话电池的体积就会变得很大，不太适合用于便携式设备。
因此，研究人员更关注的是如何通过调整负极材料的结构来储存更多的能量。
例如，一些研究人员提出了一种双层石墨结构，可以储存更多的锂离子。
这个结构是由两层石墨片组成，每层石墨片都有不同的确定度。
法拉第电磁感应定律
第二、三、四讲法拉第电磁感应定律预备知识1.感应电流产生的原因2.模仿法拉第的实验中滑动变阻器移动速度对电流的影响要点透析1.定律内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比．2.表达式：tn E ∆∆Φ⋅=，n 是线圈匝数3.几点说明：（1）该定律适用于所有的电磁感应现象（2）电路断开的情况下，依然存在感应电动势，尽管不存在感应电流（3）局限于数学水平，该公式只用于计算一段时间内的平均感应电动势（4）该公式只用于计算感应电动势的大小，∆Φ用绝对值（5）对于切割模型，电势高低的判断用右手定则（后面讲）例：下列说法正确的是（）A .线圈中磁通量变化越大，线圈中产生的感应电动势一定越大B.线圈中的磁通量越大，线圈中产生的感应电动势一定越大C.线圈处在磁场越强的位置，线圈中产生的感应电动势一定越大D .线圈中磁通量变化得越快，线圈中产生的感应电动势越大练：关于感应电动势，下列说法正确的是（）A ．穿过回路的磁通量越大，回路中的感应电动势就越大B ．穿过回路的磁通量变化量越大，回路中的感应电动势就越大C ．穿过回路的磁通量变化率越大，回路中的感应电动势就越大D ．单位时间内穿过回路的磁通量变化量越大，回路中的感应电动势就越大练:将闭合多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，关于线圈中产生的感应电动势和感应电流，下列表述正确的是()A.感应电动势的大小与线圈的匝数无关B.穿过线圈的磁通量越大，感应电动势越大C.穿过线圈的磁通量变化越快，感应电动势越大D.感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相同例：穿过一个单匝线圈的磁通量始终保持每秒钟减少2Wb ，则（）A ．线圈中感应电动势每秒增加2VB ．线圈中感应电动势每秒减少2VC ．线圈中无感应电动势D ．线圈中感应电动势保持不变例：一个面积S=4×10-2m 2，匝数N=100的线圈，放在匀强磁场中，磁场方向垂直线圈平面，磁场的磁感应强度B 随时间变化规律为t B ∆∆=2T/s ，则穿过线圈的磁通量变化率t∆∆φ为Wb/s ，线圈中产生的感应电动势E=V。
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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；