Faradayn laki sähkömagnetismissa luodaan muuttuva magneettikenttä vuon kykenee indusoimaan sähkövirta suljetussa piirissä.

Vuonna 1831 englantilainen fyysikko Michael Faraday kokeili liikkuvia johtimia magneettikentän sisällä ja vaihteli myös kiinteiden johtimien läpi kulkevia magneettikenttiä.

Kuva 1. Faradayn induktiokoe

Faraday tajusi, että jos hän muutti magneettikentän vuotoa ajan myötä, hän pystyi muodostamaan jännitteen, joka oli verrannollinen tuon variaatioon. Jos ε on jännite tai indusoitu sähkömoottorivoima (indusoitu emf) ja Φ on magneettikentän virta, se voidaan ilmaista matemaattisesti:

-ε- = ΔΦ / Δt

Kun symboli Δ ilmaisee määrän vaihtelua, ja emf: n palkit osoittavat tämän absoluuttisen arvon. Koska se on suljettu piiri, virta voi virrata toiseen suuntaan.

Pinnan läpi tapahtuvan magneettikentän tuottama magneettinen vuo voi vaihdella monella tavalla, esimerkiksi:

-Tangomagneetin siirtäminen pyöreän silmukan läpi.

-Silmukan läpi kulkevan magneettikentän voimakkuuden lisääminen tai vähentäminen.

- Jätä kenttä kiinteäksi, mutta muuta jonkin mekanismin kautta silmukan aluetta.

-Edellisten menetelmien yhdistäminen.

Kuva 2. Englantilainen fyysikko Michael Faraday (1791-1867).

Kaavat ja yksiköt

Oletetaan, että meillä on suljetun piirin alueen A pyöreä kela tai käämi yhtä suuri kuin kuvio 1, ja joka on magneetti, joka tuottaa magneettikentän B.

Magneettikenttävirta Φ on skalaarimäärä, joka viittaa alueen A ylittävien kenttälinjojen lukumäärään. Kuvassa 1 ne ovat valkoisia viivoja, jotka poistuvat magneetin pohjoisnavasta ja palaavat etelän läpi.

Kentän intensiteetti on verrannollinen viivojen määrään pinta-alayksikköä kohden, joten voidaan nähdä, että navoilla se on erittäin voimakas. Mutta meillä voi olla erittäin voimakas kenttä, joka ei tuota vuota silmukkaan, jonka voimme saavuttaa muuttamalla silmukan (tai magneetin) suuntaa.

Suuntauskerroin huomioon ottamiseksi magneettikenttävuon on oltava määritelty skalaarituotteeksi B: n ja n välillä, missä n on yksikön normaali vektori silmukan pintaan ja joka osoittaa sen suunnan:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Missä θ on kulma B: n ja n: n välillä. Jos esimerkiksi B ja n ovat kohtisuorassa, magneettikenttävirta on nolla, koska tällöin kenttä on tangentti silmukan tasoon eikä voi kulkea sen pinnan läpi.

Toisaalta, jos B ja n ovat yhdensuuntaisia, se tarkoittaa, että kenttä on kohtisuorassa silmukan tasoon nähden ja viivat kulkevat sen läpi niin paljon kuin mahdollista.

F: n kansainvälinen järjestelmäyksikkö on weber (W), missä 1 W = 1 Tm ² (lue ”tesla neliömetriltä”).

Lenzin laki

Kuviossa 1 voimme nähdä, että jännitteen polaarisuus muuttuu magneettin liikkuessa. Napaisuus vahvistetaan Lenzin laissa, jonka mukaan indusoidun jännitteen on vastattava sitä tuottavaa variaatiota.

Jos esimerkiksi magneettin tuottama magneettinen virta kasvaa, kiertävään johtimeen muodostuu virta, joka luo oman vuon, joka vastustaa tätä lisäystä.

Jos päinvastoin, magneetin luoma vuoto vähenee, indusoitu virta kiertää siten, että virta itse vastustaa mainittua laskua.

Tämän ilmiön huomioon ottamiseksi Faradayn lakiin on liitetty negatiivinen merkki, eikä absoluuttisten arvojen palkkien sijoittaminen ole enää tarpeen:

e = -AΦ / At

Tämä on Faraday-Lenzin laki. Jos virtauksen vaihtelu on äärettömän pieni, korvataan deltat differentiaalilla:

e = -dΦ / dt

Yllä oleva yhtälö on voimassa silmukalle. Mutta jos meillä on kääntä N-käännöstä, tulos on paljon parempi, koska emf kerrotaan N-kertoin:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday-kokeilut

Jotta virta voisi sytyttää lampun, magneettin ja silmukan välillä on oltava suhteellinen liike. Tämä on yksi tapa, jolla vuotavuus voi vaihdella, koska tällä tavalla kentän intensiteetti silmukan läpi muuttuu.

Heti kun magneetin liike loppuu, polttimo sammuu, vaikka magneetti jäisi vielä silmukan keskelle. Polttimoon kytkeytyvän virran kiertämiseksi tarvitaan, että kenttävirta vaihtelee.

Kun magneettikenttä vaihtelee ajan myötä, voimme ilmaista sen seuraavasti:

B = B (t).

Pidä silmukan ala A vakiona ja jättämällä se kiinteään kulmaan, joka kuvan tapauksessa on 0º, sitten:

Kuva 4. Jos silmukka kiertyy magneetin napojen välillä, saadaan sinimuotoinen generaattori. Lähde: F. Zapata.

Siten saadaan sinimuotoinen generaattori, ja jos yksittäisen kelan sijaan käytetään lukumäärää N keloja, indusoitu emf on suurempi:

Kuva 5. Tässä generaattorissa magneettia pyöritetään virran indusoimiseksi kelaan. Lähde: 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.