Legea Faraday în electromagnetism stabilește o schimbare a fluxului de câmp magnetic este capabil să inducă un curent electric într-un circuit închis.

În 1831, fizicianul englez Michael Faraday a experimentat conductoarele în mișcare în cadrul unui câmp magnetic și, de asemenea, câmpurile magnetice variate care au trecut prin conductoare fixe.

Figura 1. Experiment de inducție faraday

Faraday și-a dat seama că dacă a modificat fluxul câmpului magnetic de-a lungul timpului, a fost capabil să stabilească o tensiune proporțională cu acea variație. Dacă ε este tensiunea sau forța electromotivă indusă (emf indusă) și Φ este fluxul câmpului magnetic, acesta poate fi exprimat matematic:

-ε- = ΔΦ / Δt

În cazul în care simbolul Δ indică variația cantității și barele din emf indică valoarea absolută a acestuia. Întrucât este un circuit închis, curentul poate curge într-o direcție sau în cealaltă.

Fluxul magnetic, produs de un câmp magnetic pe o suprafață, poate varia în mai multe moduri, de exemplu:

-Movarea unui magnet de bare printr-o buclă circulară.

-Creșterea sau scăderea intensității câmpului magnetic care trece prin buclă.

-Lași câmpul fixat, dar printr-un mecanism oarecare schimbă zona buclei.

-Combinarea metodelor anterioare.

Figura 2. Fizicianul englez Michael Faraday (1791-1867).

Formule și unități

Să presupunem că avem o zonă de circuit închis A ca o bobină circulară sau înfășurare egală cu cea din figura 1, și care are un magnet care produce un câmp magnetic B .

Fluxul câmpului magnetic Φ este o cantitate scalară care se referă la numărul de linii de câmp care traversează zona A. În figura 1 sunt liniile albe care părăsesc polul nord al magnetului și se întorc prin sud.

Intensitatea câmpului va fi proporțională cu numărul de linii pe unitate de unitate, astfel încât putem vedea că la poli este foarte intens. Dar putem avea un câmp foarte intens care nu produce flux în buclă, pe care îl putem realiza schimbând orientarea buclei (sau a magnetului).

Pentru a ține cont de factorul de orientare, fluxul câmpului magnetic este definit ca produsul scalar între B și n , unde n este vectorul unitar normal la suprafața buclei și indică orientarea acesteia:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Unde θ este unghiul dintre B și n . Dacă, de exemplu, B și n sunt perpendiculare, fluxul câmpului magnetic este zero, deoarece în acest caz câmpul este tangent cu planul buclei și nu poate trece prin suprafața sa.

Pe de altă parte, dacă B și n sunt paralele, înseamnă că câmpul este perpendicular pe planul buclei, iar liniile trec cât mai mult posibil.

Unitatea Sistemului Internațional pentru F este weber (W), unde 1 W = 1 Tm ² (citiți „tesla pe metru pătrat”).

Legea lui Lenz

În figura 1 putem vedea că polaritatea tensiunii se modifică pe măsură ce magnetul se mișcă. Polaritatea este stabilită de legea lui Lenz, care prevede că tensiunea indusă trebuie să se opună variației care o produce.

Dacă, de exemplu, fluxul magnetic produs de magnet crește, este stabilit un curent în conductorul care circulă creând propriul flux, care se opune acestei creșteri.

Dacă, dimpotrivă, fluxul creat de magnet scade, curentul indus circulă astfel încât fluxul în sine să contracareze scăderea respectivă.

Pentru a ține cont de acest fenomen, un semn negativ se prepară la legea lui Faraday și nu mai este necesară plasarea barelor valorice absolute:

ε = -ΔΦ / Δt

Aceasta este legea Faraday-Lenz. Dacă variația fluxului este infinitesimală, delta se înlocuiește cu diferențiale:

ε = -dΦ / dt

Ecuația de mai sus este valabilă pentru o buclă. Dar dacă avem o bobină de N rotiri, rezultatul este mult mai bun, deoarece emf este înmulțit de N ori:

ε = - N (dΦ / dt)

Experimente faraday

Pentru ca curentul să aprindă becul să fie produs, trebuie să existe o mișcare relativă între magnet și buclă. Acesta este unul dintre modurile în care fluxul poate varia, deoarece în acest fel se modifică intensitatea câmpului care trece prin buclă.

De îndată ce mișcarea magnetului încetează, becul se stinge, chiar dacă magnetul este lăsat încă în mijlocul buclei. Ceea ce este necesar pentru a circula curentul care pornește becul este că fluxul de câmp variază.

Când câmpul magnetic variază în timp, îl putem exprima astfel:

B = B (t).

Păstrând aria A a buclei constantă și lăsând-o fixă ​​într-un unghi constant, care în figura este 0º, atunci:

Figura 4. Dacă bucla este rotită între poli ai unui magnet, se obține un generator sinusoidal. Sursa: F. Zapata.

Astfel, se obține un generator sinusoidal, iar dacă în loc de o singură bobină se utilizează un număr de bobine N, emf indus este mai mare:

Figura 5. În acest generator, magnetul este rotit pentru a induce curent în bobină. Sursa: 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.