Faradėjaus teisė į elektromagnetizmo nustato kintantį magnetinį lauką srautas gali sukelti elektros srovė uždaroje grandinėje.

1831 m. Anglų fizikas Michaelas Faradėjus eksperimentavo su judančiais laidininkais magnetinio lauko viduje ir su įvairiais magnetiniais laukais, praeinančiais per fiksuotus laidus.

1 paveikslas. Faradėjaus indukcijos eksperimentas

Faradėjus suprato, kad jei kinta magnetinio lauko srautas laikui bėgant, jis sugebėjo nustatyti įtampą, proporcingą šiam pokyčiui. Jei ε yra įtampa arba indukuota elektromotorinė jėga (indukuota emf), o Φ yra magnetinio lauko srautas, tai gali būti išreikšta matematiškai:

-ε- = ΔΦ / Δt

Kai simbolis Δ nurodo kiekio kitimą, o emf stulpeliai nurodo absoliučią jo vertę. Kadangi tai yra uždara grandinė, srovė gali tekėti viena ar kita kryptimi.

Magnetinis srautas, kurį sukelia paviršiaus magnetinis laukas, gali skirtis įvairiais būdais, pavyzdžiui:

- Strypo magneto judėjimas per apskritą kilpą.

-Padidina arba sumažina magnetinio lauko, praeinančio per kilpą, intensyvumą.

- Palikite lauką fiksuotą, bet per kurį nors mechanizmą pakeiskite kilpos plotą.

- Ankstesnių metodų sujungimas.

2 pav. Anglų fizikas Michaelas Faradėjus (1791–1867).

Formulės ir vienetai

Atrodo, kad mes uždarą grandinės plotas A kaip apskrito ritė arba pervijimo lygi, kad, pavaizduotą 1 figūroje, ir kuris turi magnetą, kuri gamina magnetinio lauko B .

Magnetinio lauko srautas Φ yra skaliarinis dydis, kuris nurodo lauko linijų, kertančių plotą A, skaičių. 1 paveiksle jos yra baltos linijos, kurios palieka magneto šiaurinį polių ir grįžta per pietus.

Lauko intensyvumas bus proporcingas eilučių skaičiui ploto vienete, todėl matome, kad ties poliais jis yra labai intensyvus. Bet mes galime turėti labai intensyvų lauką, kuris nesukuria srauto kilpoje, kurį galime pasiekti pakeisdami kilpos (arba magneto) orientaciją.

Siekiant atsižvelgti į orientacijos koeficientą, magnetinio lauko srautas yra apibrėžiamas kaip skaliarinis sandauga tarp B ir n , kur n yra normalusis vieneto vektorius prie kilpos paviršiaus ir parodo jo orientaciją:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Kur θ yra kampas tarp B ir n . Jei, pavyzdžiui, B ir n yra statmenos, magnetinio lauko srautas yra lygus nuliui, nes tokiu atveju laukas yra liestinės linijos kilpa ir negali praeiti per jo paviršių.

Kita vertus, jei B ir n yra lygiagrečios, tai reiškia, kad laukas yra statmenas kilpos plokštumai ir linijos per jį kerta kiek įmanoma daugiau.

Tarptautinės sistemos vienetas F yra weber (W), kur 1 W = 1 Tm ² (skaitykite „tesla už kvadratinį metrą“).

Lenzo įstatymas

1 paveiksle matome, kad įtampos poliškumas kinta keičiantis magnetui. Poliškumą nustato Lenco įstatymas, kuriame teigiama, kad indukuota įtampa turi priešintis variacijai, kuri ją sukuria.

Jei, pavyzdžiui, padidėja magneto sukuriamas magnetinis srautas, laidininkuose sukuriama srovė, sukurianti savo srautą, kuris prieštarauja šiam padidėjimui.

Jei, atvirkščiai, mažėja magneto sukuriamas srautas, indukuota srovė cirkuliuoja taip, kad pats srautas neutralizuoja minėtą sumažėjimą.

Norint atsižvelgti į šį reiškinį, Faradėjaus įstatymas yra patvirtinamas neigiamu ženklu ir nebereikia dėti absoliučiosios vertės strypų:

ε = -ΔΦ / Δt

Tai yra Faraday-Lenz įstatymas. Jei srauto variacija yra be galo maža, deltos keičiamos diferencialais:

ε = -dΦ / dt

Aukščiau pateikta lygtis galioja kilpai. Bet jei turime N posūkio ritę, rezultatas yra daug geresnis, nes emf padauginamas iš N kartų:

ε = - N (dΦ / dt)

Faradėjaus eksperimentai

Norint, kad srovė lemputę apšviestų, tarp magneto ir kilpos turi būti santykinis judėjimas. Tai yra vienas iš srauto kitimo būdų, nes tokiu būdu kinta lauko, einančio per kilpą, intensyvumas.

Kai tik magnetas nesibaigia, lemputė išsijungia, net jei magnetas vis tiek liko kilpos viduryje. Norint cirkuliuoti srovę, kuri įjungia lemputę, reikia cirkuliuoti, kad lauko srautas kinta.

Kai magnetinis laukas kinta priklausomai nuo laiko, mes galime jį išreikšti taip:

B = B (t).

Laikydami pastovų kilpos A plotą ir palikdami jį fiksuotą pastoviu kampu, kuris figūros atveju yra 0º, tada:

4 pav. Jei kilpa pasukta tarp magneto polių, gaunamas sinusinis generatorius. Šaltinis: F. Zapata.

Taigi gaunamas sinusinis generatorius, o jei vietoj vienos ritės yra naudojamas skaičius N ritių, indukuotas emf yra didesnis:

5 pav. Šiame generatoriuje magnetas sukamas, kad indukuotų srovę ritėje. Šaltinis: „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.