Den Faraday lag i elektromagnetism etablerar en föränderlig magnetiskt fältflödet har förmåga att inducera en elektrisk ström i en sluten krets.

1831 experimenterade den engelska fysikern Michael Faraday med rörliga ledare inom ett magnetfält och också varierande magnetfält som passerade genom fasta ledare.

Figur 1. Faradays induktionsförsök

Faraday insåg att om han varierade magnetfältflödet över tid, kunde han upprätta en spänning proportionell mot den variationen. Om ε är spänningen eller inducerad elektromotorisk kraft (inducerad emf) och Φ är magnetfältflödet, kan det uttryckas matematiskt:

-ε- = ΔΦ / Δt

Där symbolen Δ indikerar variation i mängden och staplarna i emk indikerar det absoluta värdet på detta. Eftersom det är en stängd krets kan strömmen flyta i en eller annan riktning.

Magnetflöde, producerat av ett magnetfält över en yta, kan variera på flera sätt, till exempel:

-Föra en barmagnet genom en cirkulär slinga.

-Öka eller minska intensiteten på magnetfältet som passerar genom slingan.

-Leaving fältet fast, men genom någon mekanism ändra slingans område.

-Kombination av tidigare metoder.

Bild 2. Den engelska fysikeren Michael Faraday (1791-1867).

Formler och enheter

Antag att vi har en sluten krets område A som en cirkulär spole eller lindning är lika med den i fig 1, och som har en magnet som alstrar ett magnetfält B .

Magnetfältflödet Φ är en skalmängd som avser antalet fältlinjer som korsar område A. I figur 1 är de de vita linjerna som lämnar magnetens nordpol och återvänder genom söder.

Fältets intensitet kommer att vara proportionell mot antalet linjer per enhetsarea, så vi kan se att det vid polerna är mycket intensivt. Men vi kan ha ett mycket intensivt fält som inte ger flöde i slingan, vilket vi kan uppnå genom att ändra slingans (eller magnetens) orientering.

För att ta hänsyn till orienteringsfaktorn definieras magnetfältflödet som den skalära produkten mellan B och n , där n är enhetens normala vektor till slingans yta och som indikerar dess orientering:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Där θ är vinkeln mellan B och n . Om till exempel B och n är vinkelräta är magnetfältflödet noll, för i detta fall är fältet tangent till slingans plan och kan inte passera genom dess yta.

Å andra sidan, om B och n är parallella, betyder det att fältet är vinkelrätt mot slingans plan och linjerna passerar genom det så mycket som möjligt.

Internationella systemenheten för F är webbern (W), där 1 W = 1 Tm ² (läs “tesla per kvadratmeter”).

Lenz's Law

I figur 1 kan vi se att spänningens polaritet ändras när magneten rör sig. Polaritet upprättas genom Lenzs lag som säger att den inducerade spänningen måste motsätta sig variationen som producerar den.

Om till exempel magnetflödet som produceras av magneten ökar upprättas en ström i ledaren som cirkulerar och skapar sitt eget flöde, vilket motsätter sig denna ökning.

Om tvärtom flödet som skapas av magneten minskar, cirkulerar den inducerade strömmen på ett sådant sätt att flödet i sig motverkar nämnda minskning.

För att ta hänsyn till detta fenomen förhindras ett negativt tecken till Faradays lag och det är inte längre nödvändigt att placera absoluta värdesfält:

ε = -ΔΦ / Δt

Detta är Faraday-Lenz-lagen. Om flödesvariationen är oändlig, ersätts deltorna med skillnader:

ε = -dΦ / dt

Ovanstående ekvation är giltig för en slinga. Men om vi har en spiral av N-varv är resultatet mycket bättre, eftersom emk multipliceras N gånger:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday-experiment

För att strömmen ska tända lampan som ska produceras måste det finnas relativ rörelse mellan magneten och slingan. Detta är ett av sätten på vilket flödet kan variera, eftersom på det här sättet förändras fältets intensitet genom slingan.

Så snart magnetens rörelse upphör, stänger lampan, även om magneten är kvar i mitten av öglan. Det som behövs för att cirkulera strömmen som slår på lampan är att fältflödet varierar.

När magnetfältet varierar med tiden kan vi uttrycka det som:

B = B (t).

Genom att hålla slingans område A konstant och lämna den fixerad i en konstant vinkel, som i fallet med figuren är 0º, gör så:

Figur 4. Om slingan roteras mellan en magnets poler erhålls en sinusgenerator. Källa: F. Zapata.

Således erhålls en sinusformad generator, och om istället för en enda spole ett antal N spolar används, är den inducerade emk större:

Figur 5. I denna generator roteras magneten för att inducera ström i spolen. Källa: 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.