Zakon Faraday u elektromagnetizmu uspostavlja mijenja magnetsko polje toka je u stanju izazvati električne struje u zatvorenom krugu.

1831. engleski fizičar Michael Faraday eksperimentirao je s pokretnim kondukterima unutar magnetskog polja i također s promjenjivim magnetskim poljem koji su prolazili kroz fiksne vodiče.

Slika 1. Faradayev indukcijski eksperiment

Faraday je shvatio da će, ako mijenja vremenski tok magnetskog polja, uspjeti uspostaviti napon proporcionalan toj varijaciji. Ako je ε napon ili inducirana elektromotorna sila (inducirani emf) i Φ je tok magnetskog polja, može se to matematički izraziti:

-ε- = ΦΦ / Δt

Ako simbol Δ označava varijaciju količine, a trake u emf-u pokazuju apsolutnu vrijednost toga. Budući da je riječ o zatvorenom krugu, struja može teći u jednom ili drugom smjeru.

Magnetski tok, proizveden magnetskim poljem preko površine, može se razlikovati na više načina, na primjer:

- Pomicanje šipke magnetom kroz kružnu petlju.

-Povećavanje ili smanjenje intenziteta magnetskog polja koje prolazi kroz petlju.

- Ostavite polje fiksirano, ali kroz neki mehanizam promijenite područje petlje.

-Kombinacija prethodnih metoda.

Slika 2. Engleski fizičar Michael Faraday (1791-1867).

Formule i jedinice

Pretpostavimo da imamo zatvoreni krug područje A kao kružna svitka ili namota jednaka onoj slici 1, a koji ima magnet koji proizvodi magnetsko polje B.

Tok magnetskog polja a skalarna je količina koja se odnosi na broj polja polja koji prelaze područje A. Na slici 1 to su bijele linije koje napuštaju sjeverni pol magneta i vraćaju se kroz južni.

Intenzitet polja bit će proporcionalan broju linija po jedinici površine, tako da možemo vidjeti da je na polovima vrlo intenzivan. Ali možemo imati vrlo intenzivno polje koje ne stvara fluks u petlji, što možemo postići promjenom orijentacije petlje (ili magneta).

Da bi se uzeo u obzir faktor orijentacije, tok magnetskog polja definiran je kao skalarni produkt između B i n, gdje je n jedinični normalni vektor na površini petlje i pokazuje njegovu orijentaciju:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Gdje je θ kut između B i n. Ako su, na primjer, B i n okomiti, tok magnetskog polja je nula, jer je u tom slučaju polje tangencijalno na ravninu petlje i ne može proći kroz njegovu površinu.

S druge strane, ako su B i n paralelne, to znači da je polje okomito na ravninu petlje i da linije prolaze kroz njega što je više moguće.

Jedinica Međunarodnog sustava za F je weber (W), gdje je 1 W = 1 Tm ² (čitaj „tesla po kvadratnom metru“).

Lenzov zakon

Na slici 1 možemo vidjeti da se polaritet napona mijenja kako se magnet kreće. Polarnost je utvrđena Lenzovim zakonom koji kaže da se inducirani napon mora suprotstaviti varijaciji koja ga proizvodi.

Ako se, primjerice, poveća magnetski tok koji stvara magnet, u vodiču se uspostavlja struja koja kruži stvarajući vlastiti tok, koji se protivi ovom povećanju.

Ako, naprotiv, fluks koji stvara magnet opada, inducirana struja cirkulira na takav način da sam protok suprostavlja navedenom smanjenju.

Da bi se ovaj fenomen uzeo u obzir, negativan predznak je presudan Faradayevom zakonu i više nije potrebno postavljati trake apsolutne vrijednosti:

ε = ΦΦ / Δt

Ovo je zakon Faraday-Lenza. Ako je varijacija protoka infinitezimalna, delte se zamjenjuju diferencijalima:

ε = -dΦ / dt

Gornja jednadžba vrijedi za petlju. Ali ako imamo zavojnicu od N okreta, rezultat je puno bolji, jer se emf pomnožava N puta:

ε = - N (dΦ / dt)

Faradayevi pokusi

Da bi se struja pustila kako bi žarulja nastala, mora postojati relativno kretanje između magneta i petlje. Ovo je jedan od načina na koji fluks može varirati, jer se na taj način mijenja intenzitet polja kroz petlju.

Čim prestaje kretanje magneta, žarulja se isključuje, čak i ako magnet ostane još u sredini petlje. Ono što je potrebno za kruženje struje koja se uključuje u žarulji jest da tečaj polja varira.

Kad magnetsko polje varira s vremenom, možemo to izraziti kao:

B = B (t).

Čuvajući područje A petlje konstantnim i ostavljajući ga fiksnim pod stalnim kutom, koji je u slučaju slike 0 °, tada:

Slika 4. Ako se petlja rotira između polova magneta, dobiva se sinusoidni generator. Izvor: F. Zapata.

Tako se dobiva sinusoidni generator, a ako se umjesto jedne zavojnice koristi broj N zavojnica, inducirani emf je veći:

Slika 5. U ovom generatoru magnet se rotira kako bi izazvao struju u zavojnici. Izvor: 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.