Закон Фарадея в електромагнетизмі встановлює мінливий потік магнітного поля, здатний викликати електричний струм у замкнутому контурі.

У 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей експериментував з рухомими провідниками в магнітному полі, а також з різними магнітними полями, які проходили через нерухомі провідники.

Малюнок 1. Індукційний експеримент Фарадея

Фарадей зрозумів, що якщо змінити потік магнітного поля у часі, він зможе встановити напругу, пропорційну цій варіації. Якщо ε - напруга або індукована електрорушійна сила (індукований ЕРС) і Φ потік магнітного поля, це можна виразити математично:

-ε- = ΔΦ / Δt

Якщо символ Δ вказує на зміну кількості, а штрихи в ЕМП вказують абсолютне значення цього значення. Оскільки це замкнутий контур, струм може текти в ту чи іншу сторону.

Магнітний потік, що утворюється магнітним полем по всій поверхні, може змінюватись кількома способами, наприклад:

-Переміщення штангового магніту по круговій петлі.

-Підвищення або зменшення напруженості магнітного поля, яке проходить через петлю.

-Залишивши поле фіксованим, але через якийсь механізм змінити площу петлі.

-Об’єднання попередніх методів.

Малюнок 2. Англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867).

Формули та одиниці

Припустимо , що ми маємо замкнуту область ланцюга А в якості кругової котушки або обмотки одно , що на фіг.1, і який має магніт , який створює магнітне поле B .

Потік магнітного поля Φ - скалярна величина, що відноситься до кількості ліній поля, що перетинають площу А. На малюнку 1 представлені білі лінії, що виходять із північного полюса магніту та повертаються через південь.

Інтенсивність поля буде пропорційною кількості ліній на одиницю площі, тому ми можемо побачити, що на полюсах він дуже інтенсивний. Але у нас може бути дуже інтенсивне поле, яке не виробляє потоку в циклі, чого ми можемо досягти, змінивши орієнтацію петлі (або магніту).

Для врахування коефіцієнта орієнтації потік магнітного поля визначається як скалярний добуток між В і n , де n - одиничний нормальний вектор до поверхні петлі і вказує його орієнтацію:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Де θ - кут між B і n . Наприклад, якщо B і n перпендикулярні, потік магнітного поля дорівнює нулю, оскільки в цьому випадку поле дотичне до площини петлі і не може пройти через його поверхню.

З іншого боку, якщо B і n паралельні, це означає, що поле перпендикулярне площині петлі і лінії проходять через неї максимально.

Міжнародною системною одиницею для F є вебер (W), де 1 W = 1 Tm ² (читайте "тесла на квадратний метр").

Закон Ленца

На малюнку 1 ми бачимо, що полярність напруги змінюється в міру переміщення магніту. Полярність встановлюється законом Ленца, який зазначає, що індукована напруга повинна протидіяти варіації, яка її виробляє.

Якщо, наприклад, збільшується магнітний потік, що утворюється магнітом, в провіднику встановлюється струм, який циркулює, створюючи власний потік, який проти цього збільшення.

Якщо, навпаки, потік, створюваний магнітом, зменшується, індукований струм циркулює таким чином, що сам потік протидіє цьому зменшенню.

Для врахування цього явища в законі Фарадея передбачена негативна ознака, і розміщувати абсолютні значення барів більше не потрібно:

ε = -ΔΦ / Δt

Це закон Фарадея-Ленца. Якщо зміна потоку нескінченно мала, дельти замінюються диференціалами:

ε = -dΦ / dt

Наведене рівняння справедливо для циклу. Але якщо у нас котушка N витків, результат набагато кращий, тому що ЕМП множиться N разів:

ε = - N (dΦ / dt)

Фарадейські експерименти

Для того, щоб струм засвітив лампочку, повинен вироблятися відносний рух між магнітом і петлею. Це один із способів, коли потік може змінюватись, оскільки таким чином змінюється напруженість поля, що проходить через петлю.

Як тільки рух магніту припиняється, колба вимикається, навіть якщо магніт залишається всередині середини петлі. Що потрібно для циркуляції струму, який вмикається на лампочку, це те, що потік поля змінюється.

Коли магнітне поле змінюється з часом, ми можемо виразити це як:

B = B (t).

Зберігаючи площу A петлі постійною і залишаючи її фіксованою під постійним кутом, який у випадку фігури дорівнює 0º, тоді:

Малюнок 4. Якщо петля обертається між полюсами магніту, виходить синусоїдальний генератор. Джерело: Ф. Сапата.

Таким чином, отримується синусоїдальний генератор, і якщо замість однієї котушки використовується число N котушок, індукований ЕРС більший:

Малюнок 5. У цьому генераторі магніт обертається для індукції струму в котушці. Джерело: 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.