The Faraday lov i elektromagnetisme etablerer en skiftende magnetfelt flux er i stand til at inducere en elektrisk strøm i et lukket kredsløb.

I 1831 eksperimenterede den engelske fysiker Michael Faraday med bevægelige ledere inden for et magnetfelt og også varierende magnetfelter, der passerede gennem faste ledere.

Figur 1. Faraday-induktionseksperiment

Faraday indså, at hvis han varierede magnetfeltstrømmen over tid, var han i stand til at etablere en spænding, der var proportional med denne variation. Hvis ε er spændingen eller induceret elektromotorisk kraft (induceret emf) og Φ er magnetfeltfluxen, kan det udtrykkes matematisk:

-ε- = ΔΦ / Δt

Hvor symbolet Δ angiver variation i mængden, og søjlerne i emk viser den absolutte værdi af dette. Da det er et lukket kredsløb, kan strømmen strømme i den ene eller den anden retning.

Magnetisk flux, produceret af et magnetfelt over en overflade, kan variere på flere måder, for eksempel:

-Flytning af en stangmagnet gennem en cirkulær løkke.

-Forøgelse eller reduktion af intensiteten af ​​det magnetiske felt, der passerer gennem løkken.

-Leaving feltet fast, men gennem en eller anden mekanisme ændre loopens område.

-Kombination af de foregående metoder.

Figur 2. Den engelske fysiker Michael Faraday (1791-1867).

Formler og enheder

Antag, at vi har et lukket kredsløb område A som en cirkulær spole eller vikling lig med figur 1, og som har en magnet, der frembringer et magnetfelt B.

Magnetfeltfluxen Φ er en skalær mængde, der henviser til antallet af feltlinjer, der krydser område A. I figur 1 er de hvide linjer, der forlader magnetens nordpol og vender tilbage gennem syd.

Feltets intensitet vil være proportional med antallet af linjer pr. Enhedsareal, så vi kan se, at det ved polerne er meget intens. Men vi kan have et meget intenst felt, der ikke producerer flux i løkken, hvilket vi kan opnå ved at ændre retningen på løkken (eller magneten).

For at tage højde for orienteringsfaktoren defineres magnetfeltfluxen som det skalære produkt mellem B og n, hvor n er den enheds normale vektor til overfladen af ​​løkken og angiver dens orientering:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Hvor θ er vinklen mellem B og n. Hvis for eksempel B og n er vinkelret på, er magnetfeltstrømmen nul, fordi feltet i dette tilfælde er tangent til loopens plan og ikke kan passere gennem dens overflade.

På den anden side, hvis B og n er parallelle, betyder det, at feltet er vinkelret på loopens plan, og linierne passerer gennem det så meget som muligt.

Den internationale systemenhed for F er weberen (W), hvor 1 W = 1 Tm ² (læse “tesla per kvadratmeter”).

Lenz's Law

I figur 1 kan vi se, at spændingens polaritet ændrer sig, når magneten bevæger sig. Polaritet er etableret ved Lenz's lov, der siger, at den inducerede spænding skal modsætte sig den variation, der producerer den.

Hvis for eksempel den magnetiske flux, der produceres af magneten, øges, etableres en strøm i lederen, der cirkulerer, hvilket skaber sin egen flux, som modsætter sig denne stigning.

Hvis tværtimod fluxen frembragt af magneten aftager, cirkulerer den inducerede strøm på en sådan måde, at fluxen selv modvirker nævnte fald.

For at tage dette fænomen i betragtning, er et negativt tegn forhøjet til Faradays lov, og det er ikke længere nødvendigt at anbringe søjlerne med absolut værdi:

ε = -ΔΦ / Δt

Dette er Faraday-Lenz-loven. Hvis strømningsvariationen er uendelig, erstattes deltas med forskelle:

ε = -dΦ / dt

Ovenstående ligning er gyldig for en løkke. Men hvis vi har en spole af N-sving, er resultatet meget bedre, fordi emk ganges N gange:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday-eksperimenter

For at strømmen skal tænde pæren, der skal produceres, skal der være relativ bevægelse mellem magneten og løkken. Dette er en af ​​måderne, hvorpå fluxen kan variere, fordi på denne måde ændres intensiteten af ​​det felt, der passerer gennem løkken.

Så snart magnetens bevægelse ophører, slukker pæren, selvom magneten stadig står i midten af ​​løkken. Hvad der er nødvendigt for at cirkulere strømmen, der tænder pæren, er, at feltfluxen varierer.

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

B = B (t).

Ved at holde loopens område A konstant og lade det være fast i en konstant vinkel, som i tilfældet med figuren er 0º, så:

Figur 4. Hvis sløjfen drejes mellem en magnets poler, opnås en sinusformet generator. Kilde: F. Zapata.

Således opnås en sinusformet generator, og hvis man i stedet for en enkelt spole bruger et antal N spoler, er den inducerede emk større:

Figur 5. I denne generator drejes magneten for at inducere 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.