De wet van Faraday in elektromagnetisme stelt een veranderende magnetische veldflux vast die in staat is om een ​​elektrische stroom in een gesloten circuit te induceren.

In 1831 experimenteerde de Engelse natuurkundige Michael Faraday met bewegende geleiders binnen een magnetisch veld en ook met variërende magnetische velden die door vaste geleiders gingen.

Figuur 1. Faraday-inductie-experiment

Faraday realiseerde zich dat als hij de magnetische veldflux in de loop van de tijd varieerde, hij in staat was een spanning vast te stellen die evenredig is met die variatie. Als ε de spanning of geïnduceerde elektromotorische kracht is (geïnduceerde emf) en Φ de magnetische veldflux is, kan dit wiskundig worden uitgedrukt:

-ε- = ΔΦ / Δt

Waar het symbool Δ de variatie van de hoeveelheid aangeeft en de balken in de emf de absolute waarde hiervan aangeven. Omdat het een gesloten circuit is, kan de stroom in de ene of de andere richting stromen.

Magnetische flux, geproduceerd door een magnetisch veld over een oppervlak, kan op een aantal manieren variëren, bijvoorbeeld:

-Een staafmagneet door een cirkelvormige lus verplaatsen.

-Verhogen of verlagen van de intensiteit van het magnetische veld dat door de lus gaat.

- Het veld laten staan, maar door een of ander mechanisme het gebied van de lus veranderen.

-Het combineren van de vorige methoden.

Figuur 2. Engelse natuurkundige Michael Faraday (1791-1867).

Formules en eenheden

Stel dat we een gebied A met een gesloten circuit hebben als een cirkelvormige spoel of wikkeling die gelijk is aan die van Figuur 1, en dat een magneet heeft die een magnetisch veld B produceert .

De magnetische veldflux Φ is een scalaire grootheid die verwijst naar het aantal veldlijnen dat gebied A doorkruist. In figuur 1 zijn dit de witte lijnen die de noordpool van de magneet verlaten en terugkeren door het zuiden.

De intensiteit van het veld is evenredig met het aantal lijnen per oppervlakte-eenheid, dus we kunnen zien dat het aan de polen erg intens is. Maar we kunnen een zeer intens veld hebben dat geen flux in de lus produceert, wat we kunnen bereiken door de oriëntatie van de lus (of de magneet) te veranderen.

Om rekening te houden met de oriëntatiefactor, wordt de magnetische veldflux gedefinieerd als het scalaire product tussen B en n , waarbij n de eenheidsnormaalvector naar het oppervlak van de lus is en de oriëntatie aangeeft:

Φ = B • n EEN = BA.cosθ

Waar θ de hoek is tussen B en n . Als bijvoorbeeld B en n loodrecht zijn, is de magnetische veldflux nul, omdat in dat geval het veld raakt aan het vlak van de lus en niet door het oppervlak kan gaan.

Aan de andere kant, als B en n parallel zijn, betekent dit dat het veld loodrecht op het vlak van de lus staat en dat de lijnen er zoveel mogelijk doorheen gaan.

De internationale systeemeenheid voor F is de weber (W), waarbij 1 W = 1 Tm ² (lees "tesla per vierkante meter").

De wet van Lenz

In figuur 1 kunnen we zien dat de polariteit van de spanning verandert als de magneet beweegt. Polariteit wordt bepaald door de wet van Lenz, die stelt dat de geïnduceerde spanning de variatie moet tegengaan die deze produceert.

Als bijvoorbeeld de door de magneet geproduceerde magnetische flux toeneemt, ontstaat er een stroom in de geleider die circuleert en zijn eigen flux creëert, die deze toename tegenwerkt.

Als daarentegen de door de magneet opgewekte flux afneemt, circuleert de geïnduceerde stroom zodanig dat de flux zelf deze afname tegengaat.

Om met dit fenomeen rekening te houden, wordt een minteken toegevoegd aan de wet van Faraday en is het niet langer nodig om de balken met absolute waarde te plaatsen:

ε = -ΔΦ / Δt

Dit is de wet van Faraday-Lenz. Als de stroomvariatie oneindig klein is, worden de delta's vervangen door verschillen:

ε = -dΦ / dt

De bovenstaande vergelijking is geldig voor een lus. Maar als we een spoel van N-windingen hebben, is het resultaat veel beter, omdat de emf N keer wordt vermenigvuldigd:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday-experimenten

Om ervoor te zorgen dat de stroom de te produceren lamp doet ontsteken, moet er een relatieve beweging zijn tussen de magneet en de lus. Dit is een van de manieren waarop de flux kan variëren, omdat op deze manier de intensiteit van het veld dat door de lus gaat, verandert.

Zodra de beweging van de magneet stopt, gaat de lamp uit, ook als de magneet nog in het midden van de lus staat. Wat nodig is om de stroom te laten circuleren die de lamp aanzet, is dat de veldflux varieert.

Wanneer het magnetische veld in de tijd varieert, kunnen we dit uitdrukken als:

B = B (t).

Door het gebied A van de lus constant te houden en het vast te laten onder een constante hoek, die in het geval van de figuur 0º is, dan:

Figuur 4. Als de lus tussen de polen van een magneet wordt geroteerd, wordt een sinusoïdale generator verkregen. Bron: F. Zapata.

Zo wordt een sinusvormige generator verkregen en als in plaats van een enkele spoel een aantal N spoelen wordt gebruikt, is de geïnduceerde emf groter:

Figuur 5. In deze generator wordt de magneet gedraaid om stroom in de spoel op te wekken. Bron: 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.