Az elektromágnesesség Faraday-törvénye szerint a változó mágneses tér fluxus képes zárt körben elektromos áramot indukálni.

1831-ben Michael Faraday angol fizikus kísérletezett mozgató vezetőkkel egy mágneses mezőn belül, és változó mágneses mezőkkel is, amelyek áthaladtak a rögzített vezetőkön.

1. ábra: Faraday indukciós kísérlet

Faraday rájött, hogy ha változtatja a mágneses mező fluxusát az idő múlásával, akkor képes volt megkapni a frekvenciaarányt, amely arányos az eltéréssel. Ha ε a feszültség vagy az indukált elektromotor erő (indukált emf), és Φ a mágneses mező fluxusa, akkor matematikailag kifejezhető:

-ε- = ΔΦ / Δt

Ahol a Δ szimbólum a mennyiség változását jelöli, az emf oszlopai pedig ennek abszolút értékét jelzik. Mivel ez zárt áramkör, az áram egy vagy másik irányba áramolhat.

A mágneses fluxus, amelyet a felszíni mágneses mező generál, számos módon változhat, például:

-A rúdmágnes mozgatása körkörös hurkon keresztül.

-A hurkon áthaladó mágneses mező intenzitásának növelése vagy csökkentése.

-A mezõt rögzítve hagyjuk, de valamilyen mechanizmuson keresztül változtassuk meg a hurok területét.

-Az előző módszerek összevonása.

2. ábra Michael Faraday (1791-1867) angol fizikus.

Képletek és egységek

Tegyük fel, hogy van egy zárt A áramkör területe, mint kör alakú tekercs vagy tekercs, amely megegyezik az 1. ábraéval, és amelynek van egy mágnese, amely B mágneses mezőt hoz létre.

A magnetic mágneses mező fluxus egy skaláris mennyiség, amely az A területet átlépő mezővonalak számára utal. Az 1. ábrán azok a fehér vonalok vannak, amelyek elhagyják a mágnes északi pólusát, és dél felé térnek vissza.

A mező intenzitása arányos lesz a vonalonkénti egységnyi területtel, tehát láthatjuk, hogy a pólusoknál nagyon intenzív. De lehet egy nagyon intenzív mező, amely nem hoz létre fluxust a hurokban, amit a hurok (vagy a mágnes) tájolásának megváltoztatásával érhetünk el.

A tájolási tényező figyelembevétele érdekében a mágneses mező fluxust B és n közötti skaláris szorzatként definiáljuk, ahol n a hurok felületéhez tartozó normál egységvektor, és amely jelzi annak tájolását:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Ahol θ a B és n közötti szög. Ha például B és n merőlegesek, a mágneses mező fluxusa nulla, mert ebben az esetben a mező a hurok síkjához puut, és nem halad át a felületén.

Másrészt, ha B és n párhuzamosak, ez azt jelenti, hogy a mező merőleges a hurok síkjára és a vonalak a lehető legnagyobb mértékben áthaladnak rajta.

Az F Nemzetközi Rendszer egysége a weber (W), ahol 1 W = 1 Tm ² (olvassa el a „tesla négyzetméterenként” értéket).

Lenz törvénye

Az 1. ábrán láthatjuk, hogy a feszültség polaritása megváltozik, amikor a mágnes mozog. A polaritást Lenz törvénye határozza meg, amely kimondja, hogy az indukált feszültségnek szemben kell lennie a variációval, amely azt létrehozza.

Ha például a mágnes által termelt mágneses fluxus növekszik, akkor a vezetékben áram alakul ki, amely a keringőben saját fluxust hoz létre, amely ellenzi ezt a növekedést.

Ha éppen ellenkezőleg, a mágnes által generált fluxus csökken, akkor az indukált áram úgy cirkulál, hogy a fluxus ellensúlyozza a csökkenést.

Annak érdekében, hogy ezt a jelenséget figyelembe lehessen venni, Faraday törvényéhez negatív jel kerül, és már nem szükséges abszolút érték oszlopokat elhelyezni:

ε = -ΔΦ / Δt

Ez a Faraday-Lenz törvény. Ha az áramlási variáció végtelen, a deltákat differenciálok helyettesítik:

ε = -dΦ / dt

A fenti egyenlet egy hurokra érvényes. De ha N tekercs van, akkor az eredmény sokkal jobb, mert az emf-et N-szorozjuk:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday kísérletek

Annak érdekében, hogy az áram megvilágítsa az izzót, a mágnes és a hurok között relatív mozgásnak kell lennie. Ez az egyik módja annak, hogy a fluxus változhat, mert így megváltozik a hurkon áthaladó mező intenzitása.

Amint a mágnes mozgása megszűnik, az izzó kikapcsol, még akkor is, ha a mágnes még mindig a hurok közepén marad. A villanykörte bekapcsoló áramának keringtetéséhez az szükséges, hogy a mező fluxusa változzon.

Ha a mágneses mező idővel változik, akkor ezt kifejezhetjük:

B = B (t).

Ha a hurok A területét állandó értéken tartjuk, és állandó szögben rögzítve hagyjuk, amely az ábra esetében 0 °, akkor:

4. ábra. Ha a hurkot a mágnes pólusai között forgatjuk, akkor szinuszos generátort kapunk. Forrás: F. Zapata.

Így szinuszos generátort kapunk, és ha egyetlen tekercs helyett N tekercset használunk, akkor az indukált emf nagyobb:

5. ábra. Ebben a generátorban a mágnest el kell forgatni, hogy áramot vezessen a tekercsben. Forrás: 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.