Prawo Faradaya w elektromagnetyzmie ustala, że ​​zmienny strumień pola magnetycznego jest w stanie indukować prąd elektryczny w obwodzie zamkniętym.

W 1831 roku angielski fizyk Michael Faraday eksperymentował z poruszającymi się przewodnikami w polu magnetycznym, a także zmiennymi polami magnetycznymi przechodzącymi przez stałe przewodniki.

Rysunek 1. Eksperyment z indukcją Faradaya

Faraday zdał sobie sprawę, że jeśli zmieniał strumień pola magnetycznego w czasie, był w stanie ustalić napięcie proporcjonalne do tej zmiany. Jeśli ε jest napięciem lub indukowaną siłą elektromotoryczną (indukowaną emf), a Φ jest strumieniem pola magnetycznego, można to wyrazić matematycznie:

-ε- = ΔΦ / Δt

Gdzie symbol Δ wskazuje na zmianę ilości, a słupki w emf wskazują wartość bezwzględną tego. Ponieważ jest to obwód zamknięty, prąd może płynąć w jednym lub drugim kierunku.

Strumień magnetyczny, wytwarzany przez pole magnetyczne po powierzchni, może zmieniać się na wiele sposobów, na przykład:

-Przesuwanie magnesu sztabkowego przez okrągłą pętlę.

-Zwiększanie lub zmniejszanie natężenia pola magnetycznego przechodzącego przez pętlę.

-Zostawienie pola naprawionego, ale za pomocą jakiegoś mechanizmu zmień obszar pętli.

-Łączenie poprzednich metod.

Rysunek 2. Angielski fizyk Michael Faraday (1791-1867).

Formuły i jednostki

Załóżmy, że mamy do obszaru zamkniętego obiegu A w postaci kołowego zwój lub uzwojenie równa figurze 1, i który zawiera magnes, który wytwarza pole magnetyczne B .

Strumień pola magnetycznego Φ jest wielkością skalarną, która odnosi się do liczby linii pola przecinających obszar A. Na rysunku 1 są to białe linie, które opuszczają biegun północny magnesu i wracają przez południe.

Natężenie pola będzie proporcjonalne do liczby linii na jednostkę powierzchni, więc widzimy, że na biegunach jest bardzo intensywne. Ale możemy mieć bardzo intensywne pole, które nie wytwarza strumienia w pętli, co możemy osiągnąć, zmieniając orientację pętli (lub magnesu).

Aby uwzględnić współczynnik orientacji, strumień pola magnetycznego definiuje się jako iloczyn skalarny między B i n , gdzie n jest jednostkowym wektorem normalnym do powierzchni pętli i wskazuje jej orientację:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Gdzie θ jest kątem między B i n . Jeśli na przykład B i n są prostopadłe, strumień pola magnetycznego wynosi zero, ponieważ w tym przypadku pole jest styczne do płaszczyzny pętli i nie może przejść przez jej powierzchnię.

Z drugiej strony, jeśli B i n są równoległe, oznacza to, że pole jest prostopadłe do płaszczyzny pętli i linie przechodzą przez niego tak bardzo, jak to możliwe.

Jednostką systemu międzynarodowego dla F jest weber (W), gdzie 1 W = 1 Tm ² (czytaj „tesla na metr kwadratowy”).

Prawo Lenza

Na rysunku 1 widzimy, że polaryzacja napięcia zmienia się wraz z ruchem magnesu. Biegunowość jest ustalona przez prawo Lenza, które mówi, że indukowane napięcie musi przeciwstawiać się wariacji, która je wytwarza.

Jeśli na przykład strumień magnetyczny wytwarzany przez magnes wzrasta, w przewodniku powstaje prąd, który krąży, tworząc własny strumień, który przeciwdziała temu wzrostowi.

Jeśli przeciwnie, strumień wytwarzany przez magnes maleje, indukowany prąd krąży w taki sposób, że sam strumień przeciwdziała wspomnianemu spadkowi.

Aby uwzględnić to zjawisko, do prawa Faradaya poprzedza się znak ujemny i nie jest już konieczne umieszczanie słupków wartości bezwzględnej:

ε = -ΔΦ / Δt

To jest prawo Faradaya-Lenza. Jeśli zmiana przepływu jest nieskończenie mała, delty są zastępowane różnicami:

ε = -dΦ / dt

Powyższe równanie obowiązuje dla pętli. Ale jeśli mamy cewkę N zwojów, wynik jest znacznie lepszy, ponieważ emf jest pomnożony N razy:

ε = - N (dΦ / dt)

Eksperymenty Faradaya

Aby prąd mógł zapalić żarówkę, musi istnieć względny ruch między magnesem a pętlą. Jest to jeden ze sposobów, w jakie strumień może się zmieniać, ponieważ w ten sposób zmienia się natężenie pola przechodzącego przez pętlę.

Gdy tylko ruch magnesu ustanie, żarówka wyłącza się, nawet jeśli magnes pozostaje nadal w środku pętli. To, co jest potrzebne do cyrkulacji prądu, który włącza żarówkę, to zmienność strumienia pola.

Kiedy pole magnetyczne zmienia się w czasie, możemy to wyrazić jako:

B = B (t).

Utrzymując powierzchnię A pętli na stałym poziomie i pozostawiając ją pod stałym kątem, który w przypadku figury wynosi 0º, wówczas:

Rysunek 4. Jeśli pętla zostanie obrócona między biegunami magnesu, otrzymamy generator sinusoidalny. Źródło: F. Zapata.

W ten sposób uzyskuje się generator sinusoidalny, a jeśli zamiast pojedynczej cewki zastosowano liczbę N cewek, indukowany emf jest większy:

Rysunek 5. W tym generatorze magnes jest obracany, aby indukować prąd w cewce. Źródło: Wikimedia Commons.

Referencias

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 6. Electromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Physics. Second Edition. McGraw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed. Prentice Hall.
4. Resnick, R. 1999. Física. Vol. 2. 3ra Ed. en español. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
5. Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2.