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- Este artículo trata sobre las leyes de Faraday.
- Para comenzar, veremos qué es la ley de Faraday, así como su fórmula y sus características.
- Estudiaremos qué es la inducción electromagnética.
- A continuación, analizaremos qué es la electrólisis y las celdas electrolíticas.
- Para terminar, veremos algunas de las aplicaciones de las leyes de Faraday en la química.
Antes de empezar, veamos dos definiciones importantes:
La inducción electromagnética es un proceso por el cual una corriente eléctrica puede ser inducida por un cambio en el campo magnético.
Esta inducción electromagnética está relacionada con las Leyes de Faraday.
Un campo magnético es un región en el cual carga eléctrica se mueve en respuesta a la fuerza magnética.
En la química, la fuerza de un campo magnético cambia el spin del electrón de un átomo.
¿Qué es la Ley de Faraday?
La ley de Faraday-Neumann (también conocida como leyes de Faraday, ya que son varias) describe, de modo general, el fenómeno de la inducción electromagnética. Es decir, la generación de corriente eléctrica por un campo magnético.
La variación del flujo magnético a través de la superficie de un circuito, provoca una corriente inducida y esto implica la presencia de una fuerza electromotriz (inducida) que la produce.
La fuerza electromotriz es energía eléctrica producida por una variación del flujo del campo magnético.
Fórmula de la ley de Faraday
Según la ley de Faraday-Neumann, el valor de la fuerza electromotriz inducida es igual a la relación entre la variación del flujo del campo magnético y el tiempo necesario para que se produzca esta variación:
$$F.E.M=-\frac{\Delta \phi }{\Delta t}$$
Esta relación entre el f.e.m. inducido en la vuelta de una espiral (o espira) y la variación del flujo del vector B concatenado con la espira tiene validez general: en cualquier circuito inmerso en un campo magnético, siempre que el flujo (Φ) del campo magnético B, a través de la superficie delimitada por el circuito, varíe en el tiempo, se genera un f.e.m. igual a ΔФ / Δt. Si la variación del flujo es producida por la misma corriente variable que recorre el circuito, hablamos de f.e.m. autoinducida.
Considerando un circuito con resistencia eléctrica R, la intensidad de la corriente inducida vendrá dada por la siguiente relación:
$$V=I\cdot RI=\frac{-\frac{\Delta \phi }{\Delta t}}{R}=-\frac{\Delta \phi }{\Delta t\cdot R}$$
$$i=-\frac{1}{R}$$
En resumen, la rapidez con la que varía el flujo del campo magnético a través del circuito afecta a la intensidad de la corriente inducida. Esta será tanto más intensa cuanto más rápida sea la variación del flujo. Por lo tanto, para tener corrientes de mayor intensidad será conveniente, por ejemplo, utilizar bobinas en lugar de espiras simples.
Características del principio de Faraday
Existen diferentes tipos de fuerzas que sufren las cargas cuando se mueven dentro de un campo magnético. Como sabemos, la presencia de corriente que circula por un hilo conductor genera un campo magnético visible a partir de la rotación de una aguja magnética (en el experimento de Oersted); incluso, un campo magnético tiene efectos sobre un hilo portador de corriente, como demuestra el experimento de Faraday con hilos paralelos.
Fig. 1: Michael Faraday.
Ahora vemos que también es posible que un campo magnético genere una corriente eléctrica. Sin embargo, en este caso es necesaria una condición particular: el campo magnético debe ser variable, no constante.
Ley de Faraday de la inducción electromagnética
En los casos de producción de corriente inducida, se genera en la espira una fuerza electromotriz inducida equivalente a la fuerza electromotriz de la pila, que deberíamos introducir en la espira para producir, en ausencia del fenómeno de inducción electromagnética, una corriente de intensidad igual a la de la corriente inducida.
¿Qué es la electrólisis?
La electrólisis es un fenómeno en el cual las disoluciones electrolíticas se reducen o se oxidan tras el paso de corriente eléctrica. Esta oxidación y reducción no es espontánea, por lo que requiere el paso de corriente eléctrica a través de los electrodos que están sumergidos en la disolución. Así, los iones presentes son atraídos hacia los electrodos de signo contrario.
Lysis es una palabra de origen griego que significa "aflojar, dividir, separar". Por lo que electrólisis se puede separar por electricidad.
¿Qué es una celda electrolítica?
Una celda electrolítica es una celda que contiene una disolución unida por electrodos a través de los cuales pasa corriente eléctrica; es decir, donde se produce la electrólisis. En el cátodo, el electrodo negativo atrae los iones positivos que aceptan electrones; mientras que en el ánodo, el electrodo positivo atrae los iones negativos que ceden electrones. Ambas sustancias se transforman en compuestos neutros que se depositan en el electrodo respectivo.
El número de electrones que se cede y aceptan depende de la estequiometría. Es posible determinar la masa de los depósitos que se forman a partir de la carga eléctrica que pasa por los electrodos, y el tipo de ion considerado.
Fig. 2: Ejemplo de una célula electrolítica. Imagen tomada de: Wikimedia Commons.
Repasa las reacciones de reducción y oxidación para tener claro por qué un átomo acepta o cede electrones.
Las leyes de Faraday y sus fórmulas
Te dejamos esta tabla de resumen con las fórmulas de las leyes de Faraday para que te queden más claras.
| Ley de Faraday | Definición | Fórmula |
| Primera ley de Faraday | La primera ley de Faraday establece que la cantidad de materia que se produce en el proceso de electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de corriente que ha pasado por la célula electrolítica. | Para calcular la cantidad de corriente, utilizamos la siguiente ecuación: $$Q=I\cdot t$$ La intensidad (I) es el corriente medido en A, y el t es el tiempo en segundos. Por lo que el Q es la cantidad de corriente en culombios (C) . |
| Segunda ley de Faraday | La segunda ley de Faraday establece que para una misma cantidad de electricidad que pasa por pilas conectadas en serie, la masa depositada en los electrodos es proporcional. | Al calcular la cantidad de electricidad que pasan por las pilas, podemos definir la masa que se deposita, según la ecuación a continuación: $$m=\frac{M_{f}\cdot I\cdot t}{n\cdot F}=\frac{M_{f}\cdot Q}{n\cdot F}$$ Donde: F = 96500C. La masa es indirectamente proporcional al número de electrones, por lo que siempre hay que tener en cuenta la estequiometría. |
Tabla 1. Leyes de Faraday: Resumen de la primera y segunda ley de Faraday y sus fórmulas.
Para repasar coeficientes estequiométricos, dirígete a Estequiometría y a Ecuaciones balanceadas.
Veamos un ejemplo:
Una disolución 0,5 mol de KI en una celda electrolítica reacciona durante 5 segundos con un corriente de 2A. ¿Cuánta cantidad de I2 (g) obtiene?
Solución:
Para empezar, hay que escribir la reacción:
$$2KI_{(ac)}\rightarrow 2K_{(s)}+I_{2\ (g)}$$
La semiecuación de reducción es:
$$K^{+}+e^{-}\rightarrow K$$
La semiecuación de oxidación es:
$$2I^{-}\rightarrow I_{2}+2e^{-}$$
Hay 2 moles de electrones en la reacción redox, n = 2
Mf I2= 253,8
Entonces, sustituimos en la reacción y obtenemos:
$$m=\frac{253.8\cdot 2\cdot 5}{2\cdot 965000}=0.13g$$
¿Cuáles son las aplicaciones de las leyes de Faraday en la química?
Las leyes de Faraday son esenciales en la electrólisis y cobran gran importancia en la industria química, porque permiten extraer metales puros mediante la refinación electrolítica. También, permiten el electroformado o electrodeposición, que consiste en el recubrimiento de metales con otros metales para evitar la corrosión.
Además, en la vida cotidiana, se aplican las leyes de Faraday en prácticamente toda la tecnología eléctrica, ya que la inducción electromagnética permite la transmisión de carga eléctrica.
Algunos ejemplos representativos son: el transformador, el motor eléctrico o, incluso, la vitrocerámica de inducción.
Fig. 3: Las cocinas de inducción son un ejemplo de las aplicaciones que tiene la ley de Faraday. Leyes de Faraday - Puntos clave
- Inducción electromagnética: producción en un circuito de una fuerza electromotriz inducida, debido a la variación con respecto al tiempo del flujo del vector de inducción magnética concatenado con el circuito.
- La primera ley de Faraday establece que la cantidad de materia que se produce en el proceso de electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de corriente que ha pasado por la célula electrolítica.
- La segunda ley de Faraday establece que para una misma cantidad de electricidad que pasa por pilas conectadas en serie, la masa depositada en los electrodos es proporcional.
- Las ecuaciones fundamentales son:
- $$Q=I\cdot t$$
- $$m=\frac{M_{f}\cdot I\cdot t}{n\cdot F}=\frac{M_{f}\cdot Q}{n\cdot F}$$
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Preguntas frecuentes sobre Leyes de Faraday
¿Para qué sirve la ley de Faraday?
Las dos leyes de Faraday sirven para calcular la masa en gramos que se deposita en un electrodo durante la electrólisis.
¿Qué nos dice la ley de Faraday?
Las leyes de Faraday nos dicen lo siguiente:
- La primera ley de Faraday establece que la cantidad de materia que se produce en el proceso de electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de corriente que ha pasado por la célula electrolítica.
- La segunda ley de Faraday establece que para una misma cantidad de electricidad que pasa por pilas conectadas en serie, la masa depositada en los electrodos es proporcional.
¿Qué es la electrólisis?
La electrólisis es un fenómeno en el cual unas disoluciones electrolíticas se reducen o se oxidan, tras el paso de corriente eléctrica.
¿Qué es la celda electrolítica?
La celda electrolítica es una celda que contiene una disolución unida por electrodos, por los cuales pasa corriente eléctrica; es decir, donde se produce la electrólisis
¿Cómo se aplica la ley de Faraday en la vida cotidiana?
En la vida cotidiana, las leyes de Faraday son esenciales en la electrólisis y tienen gran importancia en la industria química. Estas permiten extraer metales puros, mediante la refinación electrolítica, y permiten el electroformado o electrodeposición, que consiste en el recubrimiento de metales con otros metales para evitar la corrosión.
Además, en la vida cotidiana se aplica las leyes de Faraday en prácticamente toda la tecnología eléctrica, ya que la inducción electromagnética permite la transmisión de carga eléctrica.
Unos ejemplos son: el transformador, el motor eléctrico o, incluso, la vitrocerámica de inducción.
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