Das Faradaysche Gesetz im Elektromagnetismus legt fest, dass ein sich ändernder Magnetfeldfluss einen elektrischen Strom in einem geschlossenen Stromkreis induzieren kann.

1831 experimentierte der englische Physiker Michael Faraday mit beweglichen Leitern innerhalb eines Magnetfeldes und auch mit variierenden Magnetfeldern, die durch feste Leiter gingen.

Abbildung 1. Faraday-Induktionsexperiment

Faraday erkannte, dass er, wenn er den Magnetfeldfluss über die Zeit variierte, eine Spannung herstellen konnte, die proportional zu dieser Variation war. Wenn ε die Spannung oder induzierte elektromotorische Kraft (induzierte EMK) und Φ der Magnetfeldfluss ist, kann dies mathematisch ausgedrückt werden:

-ε- = ΔΦ / Δt

Wobei das Symbol Δ eine Variation der Menge anzeigt und die Balken in der EMK den absoluten Wert davon angeben. Da es sich um einen geschlossenen Stromkreis handelt, kann der Strom in die eine oder andere Richtung fließen.

Der Magnetfluss, der durch ein Magnetfeld über einer Oberfläche erzeugt wird, kann auf verschiedene Arten variieren, zum Beispiel:

- Bewegen eines Stabmagneten durch eine kreisförmige Schleife.

-Erhöhen oder verringern der Intensität des Magnetfelds, das durch die Schleife geht.

-Lassen Sie das Feld fest, aber ändern Sie durch einen Mechanismus den Bereich der Schleife.

-Kombination der vorherigen Methoden.

Abbildung 2. Der englische Physiker Michael Faraday (1791-1867).

Formeln und Einheiten

Angenommen, wir haben einen Bereich A mit geschlossenem Stromkreis als kreisförmige Spule oder Wicklung, der dem von Abbildung 1 entspricht und einen Magneten aufweist, der ein Magnetfeld B erzeugt .

Der Magnetfeldfluss Φ ist eine skalare Größe, die sich auf die Anzahl der Feldlinien bezieht, die den Bereich A kreuzen. In Abbildung 1 sind dies die weißen Linien, die den Nordpol des Magneten verlassen und durch den Süden zurückkehren.

Die Intensität des Feldes ist proportional zur Anzahl der Linien pro Flächeneinheit, sodass wir sehen können, dass es an den Polen sehr intensiv ist. Wir können jedoch ein sehr intensives Feld haben, das keinen Fluss in der Schleife erzeugt, was wir erreichen können, indem wir die Ausrichtung der Schleife (oder des Magneten) ändern.

Um den Orientierungsfaktor zu berücksichtigen, wird der Magnetfeldfluss als das Skalarprodukt zwischen B und n definiert , wobei n der Einheitsnormalenvektor zur Oberfläche der Schleife ist und dessen Orientierung angibt:

Φ = B · n A = BA.cosθ

Wobei θ der Winkel zwischen B und n ist . Wenn zum Beispiel B und n senkrecht sind, ist der Magnetfeldfluss Null, weil in diesem Fall das Feld die Ebene der Schleife tangiert und ihre Oberfläche nicht passieren kann.

Wenn andererseits B und n parallel sind, bedeutet dies, dass das Feld senkrecht zur Ebene der Schleife ist und die Linien so weit wie möglich durch sie verlaufen.

Die internationale Systemeinheit für F ist der Weber (W), wobei 1 W = 1 Tm ^{2 ist} (lesen Sie „Tesla pro Quadratmeter“).

Lenz 'Gesetz

In Abbildung 1 sehen wir, dass sich die Polarität der Spannung ändert, wenn sich der Magnet bewegt. Die Polarität wird durch das Lenzsche Gesetz festgelegt, das besagt, dass die induzierte Spannung der Variation entgegenwirken muss, die sie erzeugt.

Wenn zum Beispiel der vom Magneten erzeugte Magnetfluss zunimmt, wird im Leiter ein Strom aufgebaut, der zirkuliert und seinen eigenen Fluss erzeugt, der dieser Zunahme entgegenwirkt.

Wenn im Gegensatz dazu der vom Magneten erzeugte Fluss abnimmt, zirkuliert der induzierte Strom so, dass der Fluss selbst dieser Abnahme entgegenwirkt.

Um dieses Phänomen zu berücksichtigen, wird dem Faradayschen Gesetz ein negatives Vorzeichen vorangestellt, und es ist nicht mehr erforderlich, die Absolutwertbalken zu setzen:

ε = -ΔΦ / Δt

Dies ist das Faraday-Lenz-Gesetz. Wenn die Flussvariation infinitesimal ist, werden die Deltas durch Differentiale ersetzt:

ε = -dΦ / dt

Die obige Gleichung gilt für eine Schleife. Wenn wir jedoch eine Spule mit N Windungen haben, ist das Ergebnis viel besser, da die EMK N-mal multipliziert wird:

ε = - N (dΦ / dt)

Faraday-Experimente

Damit der Strom die Glühbirne erzeugt, muss eine Relativbewegung zwischen dem Magneten und der Schleife stattfinden. Dies ist eine der Möglichkeiten, wie der Fluss variieren kann, da sich auf diese Weise die Intensität des durch die Schleife fließenden Feldes ändert.

Sobald die Bewegung des Magneten aufhört, schaltet sich die Glühlampe aus, auch wenn der Magnet noch in der Mitte der Schleife bleibt. Was benötigt wird, um den Strom zu zirkulieren, der die Glühbirne einschaltet, ist, dass der Feldfluss variiert.

Wenn sich das Magnetfeld mit der Zeit ändert, können wir es wie folgt ausdrücken:

B = B (t).

Indem Sie den Bereich A der Schleife konstant halten und in einem konstanten Winkel fixieren, der im Fall der Figur 0º beträgt, dann:

Abbildung 4. Wenn die Schleife zwischen den Polen eines Magneten gedreht wird, wird ein Sinusgenerator erhalten. Quelle: F. Zapata.

Somit wird ein Sinusgenerator erhalten, und wenn anstelle einer einzelnen Spule eine Anzahl N von Spulen verwendet wird, ist die induzierte EMK größer:

Abbildung 5. Bei diesem Generator wird der Magnet gedreht, um Strom in der Spule zu induzieren. Quelle: 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.