Den Faraday rett på elektromagnetisme etablerer et vekslende magnetisk felt fluks er i stand til å indusere en elektrisk strøm i en lukket krets.

I 1831 eksperimenterte den engelske fysikeren Michael Faraday med bevegelige ledere i et magnetfelt og også varierende magnetfelt som gikk gjennom faste ledere.

Figur 1. Faraday induksjonseksperiment

Faraday innså at hvis han fikk magnetfeltet til å variere over tid, kunne han etablere en spenning proporsjonal med den variasjonen. Hvis ε er spenningen eller indusert elektromotorisk kraft (indusert emf) og Φ er magnetfeltstrømmen, kan det uttrykkes matematisk:

-ε- = ΔΦ / Δt

Hvor symbolet Δ indikerer variasjon av mengden og stolpene i emk indikerer den absolutte verdien av dette. Siden det er en lukket krets, kan strømmen strømme i den ene eller den andre retningen.

Magnetisk fluks, produsert av et magnetfelt over en overflate, kan variere på flere måter, for eksempel:

-Flytting av en stangmagnet gjennom en sirkulær sløyfe.

- Øke eller redusere intensiteten til magnetfeltet som går gjennom løkken.

-Lating feltet fast, men gjennom en eller annen mekanisme, endre området til løkken.

-Kombinering av de foregående metodene.

Figur 2. Engelsk fysiker Michael Faraday (1791-1867).

Formler og enheter

Anta at vi har en lukket krets område A som en sirkulær spole eller vikling er lik den på figur 1, og som har en magnet som produserer et magnetfelt B .

Magnetfeltstrømmen Φ er en skalær mengde som refererer til antall feltlinjer som krysser område A. I figur 1 er de de hvite linjene som forlater magnetens nordpol og kommer tilbake gjennom sør.

Feltets intensitet vil være proporsjonal med antall linjer per arealenhet, slik at vi kan se at det ved polene er veldig intenst. Men vi kan ha et veldig intenst felt som ikke produserer fluks i løkken, noe vi kan oppnå ved å endre orienteringen til løkken (eller magneten).

For å ta hensyn til orienteringsfaktoren er magnetfeltstrømmen definert som det skalære produktet mellom B og n , der n er enhetens normale vektor til overflaten av løkken og som indikerer dens orientering:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Hvor θ er vinkelen mellom B og n . Hvis for eksempel B og n er vinkelrett, er magnetfeltstrømmen null, fordi i dette tilfellet er feltet tangens til løkkens plan og kan ikke passere gjennom overflaten.

På den annen side, hvis B og n er parallelle, betyr det at feltet er vinkelrett på sløyfens plan og linjene passerer gjennom det så mye som mulig.

Den internasjonale systemenheten for F er weberen (W), der 1 W = 1 Tm ² (les “tesla per kvadratmeter”).

Lenz's Law

I figur 1 kan vi se at polariteten til spenningen endres når magneten beveger seg. Polaritet er etablert etter Lenz lov, som sier at den induserte spenningen må motsette seg variasjonen som produserer den.

Hvis for eksempel den magnetiske fluksen som produseres av magneten øker, etableres en strøm i lederen som sirkulerer og skaper sin egen fluks, som motsetter seg denne økningen.

Hvis tvert imot fluksen skapt av magneten avtar, sirkulerer den induserte strømmen på en slik måte at fluksen selv motvirker nevnte reduksjon.

For å ta hensyn til dette fenomenet plasseres et negativt tegn foran Faradays lov, og det er ikke lenger nødvendig å plassere absolutte verdistrengninger:

ε = -ΔΦ / Δt

Dette er Faraday-Lenz-loven. Hvis flytvariasjonen er uendelig, erstattes deltas av differensialer:

ε = -dΦ / dt

Ligningen ovenfor er gyldig for en sløyfe. Men hvis vi har en spiral med N-svinger, er resultatet mye bedre, fordi emf multipliseres N ganger:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday-eksperimenter

For at strømmen skal tenne pæren som skal produseres, må det være relativ bevegelse mellom magneten og løkken. Dette er en av måtene fluksen kan variere på, for på denne måten endres intensiteten til feltet som passerer gjennom løkken.

Så snart magnetens bevegelse opphører, slås pæren av, selv om magneten står stille i midten av løkken. Det som trengs for å sirkulere strømmen som slår på pæren, er at feltfluksen varierer.

Når magnetfeltet varierer med tiden, kan vi uttrykke det som:

B = B (t).

Ved å holde området A på løkken konstant og la det være fast i en konstant vinkel, som i tilfelle av figuren er 0º, så:

Figur 4. Hvis løkken roteres mellom polene til en magnet, oppnås en sinusgenerator. Kilde: F. Zapata.

Dermed oppnås en sinusformet generator, og hvis i stedet for en enkelt spole brukes et antall N spoler, er den induserte emk større:

Figur 5. I denne generatoren roteres magneten for å indusere strøm i spolen. Kilde: 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.