Zakon Faraday v elektromagnetno vzpostavlja spreminjajoče se magnetno polje, tok je lahko povzroči električni tok v zaprtem krogu.

Leta 1831 je angleški fizik Michael Faraday eksperimentiral z gibljivimi vodniki v magnetnem polju in tudi z različnimi magnetnimi polji, ki so prehajali skozi fiksne prevodnike.

Slika 1. Faradayev indukcijski eksperiment

Faraday je spoznal, da lahko s spreminjanjem toka magnetnega polja s časom vzpostavi napetost, sorazmerno tej spremembi. Če je ε napetost ali inducirana elektromotorna sila (inducirana emf) in Φ tok magnetnega polja, se lahko izrazi matematično:

-ε- = ΦΦ / Δt

Kadar simbol Δ označuje variacijo količine, črtice v emf pa kažejo absolutno vrednost tega. Ker gre za zaprto vezje, lahko tok teče v eno ali drugo smer.

Magnetni tok, ki ga ustvarja magnetno polje čez površino, se lahko razlikuje na več načinov, na primer:

-Predvajanje magnetne palice skozi krožno zanko.

-Povečanje ali zmanjšanje intenzivnosti magnetnega polja, ki prehaja skozi zanko.

-Pusti polje fiksno, vendar skozi nek mehanizem spremenite območje zanke.

-Skombinacija prejšnjih metod.

Slika 2. Angleški fizik Michael Faraday (1791-1867).

Formule in enote

Recimo, da imamo zaprtega območja vezje kot krožni kolobar ali navijanje enak tistemu na sliki 1, in ki ima magnet, ki proizvaja magnetnega polja B .

Tok magnetnega polja a je skalarna količina, ki se nanaša na število poljskih črt, ki prečkajo območje A. Na sliki 1 so bele črte, ki zapustijo severni pol magneta in se vrnejo skozi južni.

Intenzivnost polja bo sorazmerna številu črt na enoto površine, tako da lahko vidimo, da je na polovicah zelo intenzivna. Lahko pa imamo zelo intenzivno polje, ki ne ustvarja toka v zanki, kar lahko dosežemo s spreminjanjem orientacije zanke (ali magneta).

Za upoštevanje orientacijskega faktorja je tok magnetnega polja opredeljen kot skalarni produkt med B in n , kjer je n enotni normalni vektor na površino zanke in označuje njegovo usmeritev:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Kjer je θ kot med B in n . Če sta na primer B in n pravokotni, je tok magnetnega polja enak nič, ker je v tem primeru polje tangentno na ravnino zanke in ne more skozi njeno površino.

Po drugi strani pa, če sta B in n vzporedna, pomeni, da je polje pravokotno na ravnino zanke in črte, ki potekajo skozi njo, kolikor je mogoče.

Mednarodna sistemska enota za F je weber (W), kjer je 1 W = 1 Tm ² (beri "tesla na kvadratni meter").

Lenzov zakon

Na sliki 1 lahko vidimo, da se polarnost napetosti spreminja, ko se magnet premika. Polarnost je določena z Lenzovim zakonom, ki pravi, da mora inducirana napetost nasprotovati variaciji, ki jo proizvaja.

Če se na primer poveča magnetni tok, ki ga proizvaja magnet, se v prevodniku vzpostavi tok, ki kroži in ustvarja svoj tok, ki temu povečanju nasprotuje.

Če nasprotno, tok, ki ga ustvari magnet, zmanjša, inducirani tok kroži tako, da sam tok prepreči omenjeni upad.

Da bi upoštevali ta pojav, je Faradayev zakon pred negativnim predznakom in ni treba več postavljati stolpcev absolutne vrednosti:

ε = -ΔΦ / Δt

To je zakon Faraday-Lenza. Če je variacija pretoka neskončno majhna, delte nadomestimo z različnimi:

ε = -dΦ / dt

Zgornja enačba velja za zanko. Če imamo tuljavo N obratov, je rezultat veliko boljši, ker se emf pomnoži z N-krat:

ε = - N (dΦ / dt)

Faradayevi poskusi

Da lahko tok prižge žarnico, mora biti med magnetom in zanko relativno gibanje. To je eden od načinov, kako se lahko spreminja pretok, ker se na ta način spreminja intenzivnost polja, ki prehaja skozi zanko.

Takoj, ko se preneha gibanje magneta, se žarnica izklopi, četudi je magnet še vedno na sredini zanke. Za kroženje toka, ki se vklopi žarnici, je potrebno, da se pretok polja spreminja.

Kadar se magnetno polje spreminja s časom, ga lahko izrazimo kot:

B = B (t).

Če območje A zanke ohranjate konstantno in ga pustite pritrjenega pod stalnim kotom, kar je v primeru slike 0 °, potem:

Slika 4. Če se zanka vrti med poloma magneta, dobimo sinusoidni generator. Vir: F. Zapata.

Tako dobimo sinusoidni generator in če namesto ene tuljave uporabimo število N tuljav, je inducirana emf večja:

Slika 5. V tem generatorju se magnet zavrti, da sproži tok v tuljavi. Vir: 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.