Faradayova zákona v elektromagnetismu vytváří měnící se magnetické pole, tok je schopen vyvolat elektrický proud v uzavřeném okruhu.

V roce 1831 experimentoval anglický fyzik Michael Faraday s pohyblivými vodiči uvnitř magnetického pole a také s proměnlivými magnetickými poli, která procházela pevnými vodiči.

Obrázek 1. Faradayův indukční experiment

Faraday si uvědomil, že pokud během času měnil tok magnetického pole, byl schopen stanovit napětí úměrné této změně. Jestliže ε je napětí nebo indukovaná elektromotorická síla (indukovaná emf) a Φ je tok magnetického pole, lze jej matematicky vyjádřit:

-ε- = ΔΦ / Δt

Kde symbol Δ označuje změnu množství a sloupce v emf znamenají jeho absolutní hodnotu. Protože se jedná o uzavřený obvod, proud může protékat jedním nebo druhým směrem.

Magnetický tok, produkovaný magnetickým polem přes povrch, se může lišit mnoha způsoby, například:

-Sunutí tyčového magnetu kruhovou smyčkou.

-Zvýšení nebo snížení intenzity magnetického pole, které prochází smyčkou.

-Umístění pole opraveno, ale pomocí nějakého mechanismu změňte oblast smyčky.

- Kombinace předchozích metod.

Obrázek 2. Anglický fyzik Michael Faraday (1791-1867).

Vzorce a jednotky

Předpokládejme, že máme uzavřený obvod oblasti A, jak kruhové cívky nebo vinutí stejná jako na obrázku 1, a která má magnet, který vytváří magnetické pole B.

Tok magnetického pole Φ je skalární veličina, která se vztahuje k počtu polních čar, které procházejí oblastí A. Na obrázku 1 jsou bílé čáry, které opouštějí severní pól magnetu a vracejí se přes jih.

Intenzita pole bude úměrná počtu řádků na jednotku plochy, takže můžeme vidět, že na pólech je velmi intenzivní. Můžeme ale mít velmi intenzivní pole, které nevytváří tok ve smyčce, čehož lze dosáhnout změnou orientace smyčky (nebo magnetu).

Pro zohlednění faktoru orientace je tok magnetického pole definován jako skalární součin mezi B a n, kde n je jednotkový normální vektor k povrchu smyčky a označuje jeho orientaci:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Kde 9 je úhel mezi B a n. Pokud jsou například B a n kolmé, tok magnetického pole je nulový, protože v tomto případě je pole tečné k rovině smyčky a nemůže projít jeho povrchem.

Na druhé straně, pokud jsou B a n rovnoběžné, znamená to, že pole je kolmé k rovině smyčky a čáry jím prochází co nejvíce.

Mezinárodní systémová jednotka pro F je weber (W), kde 1 W = 1 Tm ² (čtěte „tesla na metr čtvereční“).

Lenzův zákon

Na obrázku 1 vidíme, že se polarita napětí mění s pohybem magnetu. Polarita je stanovena Lenzovým zákonem, který uvádí, že indukované napětí musí být proti variaci, která jej produkuje.

Pokud se například magnetický tok vytvářený magnetem zvýší, vytvoří se ve vodiči proud, který cirkuluje, čímž vytvoří svůj vlastní tok, což je proti tomuto nárůstu.

Pokud se naopak tok vytvářený magnetem sníží, indukovaný proud cirkuluje tak, že tok sám působí proti uvedenému poklesu.

Abychom tento fenomén zohlednili, je podle Faradayova zákona připraveno záporné znaménko a není již nutné vkládat sloupce absolutní hodnoty:

e = -AΦ / Δt

Toto je zákon Faraday-Lenz. Pokud je variace toku nekonečná, jsou delty nahrazeny diferenciály:

ε = -dΦ / dt

Výše uvedená rovnice platí pro smyčku. Ale pokud máme cívku N tahů, výsledek je mnohem lepší, protože emf se násobí N krát:

ε = - N (dΦ / dt)

Faradayovy experimenty

Aby proud osvětlil produkovanou žárovku, musí existovat relativní pohyb mezi magnetem a smyčkou. Toto je jeden ze způsobů, jak se může tok měnit, protože tímto způsobem se mění intenzita pole procházejícího smyčkou.

Jakmile se pohyb magnetu zastaví, žárovka se vypne, i když magnet zůstane uprostřed smyčky. K cirkulaci proudu, který zapíná žárovku, je potřeba, aby se tok pole proměnil.

Když se magnetické pole mění s časem, můžeme jej vyjádřit jako:

B = B (t).

Udržováním oblasti A smyčky konstantní a ponecháním pevné v konstantním úhlu, který je v případě obrázku 0 °, pak:

Obrázek 4. Pokud se smyčka otáčí mezi póly magnetu, získá se sinusový generátor. Zdroj: F. Zapata.

Tím se získá sinusový generátor a pokud se místo jedné cívky použije více N cívek, indukovaný emf je větší:

Obrázek 5. V tomto generátoru se magnet otáčí, aby indukoval proud v cívce. Zdroj: 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.