Законът на Фарадей в електромагнетизма установява променящ се поток от магнитно поле в състояние да индуцира електрически ток в затворена верига.

През 1831 г. английският физик Майкъл Фарадей експериментира с движещи се проводници в магнитно поле, а също и с различни магнитни полета, преминаващи през неподвижни проводници.

Фигура 1. Индукционен експеримент на Фарадей

Фарадей осъзна, че ако променя потока на магнитното поле с течение на времето, той ще може да установи напрежение, пропорционално на тази промяна. Ако ε е напрежението или индуцираната електромоторна сила (индуцирана емф) и Φ е потокът на магнитното поле, то може да се изрази математически:

-ε- = ΦΦ / Δt

Когато символът Δ показва изменение на количеството и баровете в емф посочват абсолютната стойност на това. Тъй като това е затворена верига, токът може да тече в една или друга посока.

Магнитният поток, произведен от магнитно поле през повърхността, може да варира по много начини, например:

-Подвижване на бар магнит през кръгъл контур.

-Увеличаване или намаляване на интензивността на магнитното поле, което преминава през контура.

-Оставете полето фиксирано, но чрез някакъв механизъм променете площта на контура.

-Комбиниране на предишните методи.

Фигура 2. Английският физик Майкъл Фарадей (1791-1867).

Формули и единици

Да предположим, че има затворена верига зона А като кръгъл бобина или намотка равна на тази на фигура 1, и който има магнит, който произвежда магнитно поле B.

Потокът на магнитното поле Φ е скаларно количество, което се отнася до броя на полевите линии, които пресичат площ А. На фигура 1 те са белите линии, които напускат северния полюс на магнита и се връщат през южния.

Интензивността на полето ще бъде пропорционална на броя линии на единица площ, така че можем да видим, че на полюсите е много интензивна. Но можем да имаме много интензивно поле, което не произвежда поток в контура, което можем да постигнем, като променим ориентацията на контура (или магнита).

За да се вземе предвид коефициентът на ориентация, потокът на магнитното поле се определя като скаларен продукт между B и n, където n е единичният нормален вектор към повърхността на контура и показва неговата ориентация:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Където θ е ъгълът между B и n. Ако например B и n са перпендикулярни, потокът на магнитното поле е нула, тъй като в този случай полето е допирателно към равнината на контура и не може да премине през повърхността му.

От друга страна, ако B и n са успоредни, това означава, че полето е перпендикулярно на равнината на контура и линиите преминават през него колкото е възможно повече.

Международната системна единица за F е weber (W), където 1 W = 1 Tm ² (прочетете „tesla на квадратен метър“).

Законът на Ленц

На фигура 1 можем да видим, че полярността на напрежението се променя с движението на магнита. Полярността се установява от закона на Ленц, който гласи, че индуцираното напрежение трябва да се противопостави на вариацията, която го произвежда.

Ако например магнитният поток, произведен от магнита се увеличава, в проводника се установява ток, който циркулира, създавайки свой собствен поток, който се противопоставя на това увеличение.

Ако, напротив, потокът, създаден от магнита, намалява, индуцираният ток циркулира по такъв начин, че самият поток противодейства на спада.

За да се вземе предвид това явление, отрицателният знак е предразположен към закона на Фарадей и вече не е необходимо да се поставят стойностите на абсолютната стойност:

ε = -ΔΦ / Δt

Това е законът на Фарадей-Ленц. Ако изменението на потока е безкрайно малко, делтите се заменят с диференциали:

ε = -dΦ / dt

Горното уравнение е валидно за контур. Но ако имаме бобина от N оборота, резултатът е много по-добър, защото ЕМП се умножава N пъти:

ε = - N (dΦ / dt)

Фарадей експерименти

За да може токът да освети крушката, трябва да има относително движение между магнита и контура. Това е един от начините, по които потокът може да варира, защото по този начин се променя интензивността на полето, преминаващо през контура.

Веднага след като движението на магнита престане, крушката се изключва, дори ако магнитът е оставен все още в средата на контура. Това, което е необходимо за циркулация на тока, който се включва на крушката, е, че полевият поток варира.

Когато магнитното поле варира с времето, можем да го изразим като:

B = B (t).

Като поддържате постоянна зоната A на контура и я оставяте фиксирана под постоянен ъгъл, който в случая на фигурата е 0º, тогава:

Фигура 4. Ако цикълът се завърти между полюсите на магнит, се получава синусоидален генератор. Източник: Ф. Сапата.

По този начин се получава синусоидален генератор и ако вместо една намотка се използва число N намотки, индуцираният ЕМП е по-голям:

Фигура 5. В този генератор магнитът се завърта, за да индуцира ток в намотката. Източник: 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.