החוק פאראדיי באלקטרומגנטיות קובע בשדה מגנטי משתנה השטף הוא מסוגל משרה בו זרם חשמלי במעגל סגור.

בשנת 1831 התנסה הפיזיקאי האנגלי מייקל פאראדיי במוליכים הנעים בתוך שדה מגנטי וגם בשדות מגנטיים שונים שעברו במוליכים קבועים.

איור 1. איור 1. ניסוי אינדוקציה של פאראדיי

פאראדיי הבין שאם היה מגוון את שטף השדה המגנטי לאורך זמן, הוא היה מסוגל ליצור מתח פרופורציונלי לאותה וריאציה. אם ε הוא המתח או הכוח האלקטרוניסטי המושרה (EMF המושרה) ו- Φ הוא שטף השדה המגנטי, ניתן לבטא אותו באופן מתמטי:

-ε- = ΔΦ / Δt

כאשר הסמל Δ מציין שונות של הכמות והסורגים ב- emk מציינים את הערך המוחלט של זה. מכיוון שמדובר במעגל סגור, הזרם יכול לזרום לכיוון זה או אחר.

שטף מגנטי, המיוצר על ידי שדה מגנטי על פני שטח, יכול להשתנות במספר דרכים, למשל:

-העברת מגנט מוט דרך לולאה מעגלית.

- הגדלת או הפחתת עוצמת השדה המגנטי העובר דרך הלולאה.

- השארת השדה קבועה, אך דרך מנגנון כלשהו יש לשנות את שטח הלולאה.

- שילוב השיטות הקודמות.

איור 2. איור 2. הפיזיקאי האנגלי מייקל פאראדיי (1791-1867).

נוסחאות ויחידות

נניח שיש לנו אזור במעגל סגור כמו סליל עגול או מתפתל שווה לזה של איור 1, ואשר יש מגנט שמייצר שדה מגנטי B .

שטף השדה המגנטי Φ הוא כמות סקלרית המתייחסת למספר קווי השדה שחוצים את שטח A. באיור 1 הם הקווים הלבנים היוצאים מהקוטב הצפוני של המגנט וחוזרים דרומה.

עוצמת השדה תהיה פרופורציונאלית למספר הקווים לשטח היחידה, כך שנוכל לראות שבקטבים היא אינטנסיבית מאוד. אך אנו יכולים לקבל שדה אינטנסיבי מאוד שאינו מייצר שטף בלולאה, אותו אנו יכולים להשיג על ידי שינוי כיוון הלולאה (או המגנט).

כדי לקחת בחשבון את גורם האוריינטציה, שטף השדה המגנטי מוגדר כמוצר הסקלרי בין B ל- n , כאשר n הוא הווקטור הנורמלי של היחידה לפני השטח של הלולאה ומציין את הכיוון שלו:

Φ = B • n A = BA.cosθ

כאשר θ הוא הזווית בין B ל- n . אם, למשל, B ו- n הם בניצב, שטף השדה המגנטי הוא אפס, מכיוון שבמקרה זה השדה משיק למישור הלולאה ואינו יכול לעבור דרך פני השטח שלו.

מצד שני, אם B ו- n הם מקבילים, זה אומר שהשדה בניצב למישור הלולאה והקווים עוברים דרכו ככל האפשר.

יחידת המערכת הבינלאומית ל- F היא ה- weber (W), שם 1 W = 1 Tm ² (קרא "טסלה למ"ר).

חוק לנץ

באיור 1 נוכל לראות שהקוטביות של המתח משתנה עם תנועת המגנט. הקוטביות נקבעת על פי חוקו של לנץ, הקובע כי על המתח המושרה להתנגד לשונות המייצרת אותו.

אם, למשל, השטף המגנטי המיוצר על ידי המגנט גדל, נוצר זרם במוליך המסתובב ויוצר שטף משלו, המתנגד לעלייה זו.

אם נהפוך הוא, השטף שנוצר על ידי המגנט פוחת, הזרם המושרה מסתובב בצורה כזו שהשטף עצמו נוגד את הירידה האמורה.

כדי לקחת בחשבון את התופעה, סימן שלילי מוכן לחוק של פאראדיי וכבר אין צורך להציב את סרגלי הערך המוחלט:

ε = -ΔΦ / Δt

זהו חוק פאראדיי-לנץ. אם וריאציית הזרימה אינפיניטאלית, הדלתות מוחלפות בהפרשים:

ε = -dΦ / dt

המשוואה לעיל תקפה לולאה. אבל אם יש לנו סליל של N מסתובב, התוצאה טובה בהרבה, כי ה- emf מוכפל פי N:

ε = - N (dΦ / dt)

ניסויים של פאראדיי

על מנת שהזרם ידליק את הנורה המיוצרת, חייבת להיות תנועה יחסית בין המגנט ללולאה. זו אחת הדרכים בהן השטף יכול להשתנות, מכיוון שבדרך זו משתנה עוצמת השדה העוברת דרך הלולאה.

ברגע שתנועת המגנט נפסקת, הנורה נכבה, גם אם המגנט נותר עדיין באמצע הלולאה. מה שצריך בכדי להפיץ את הזרם שמדליק את הנורה הוא שטף השדה משתנה.

כאשר השדה המגנטי משתנה עם הזמן, אנו יכולים לבטא אותו כ:

B = B (t).

על ידי שמירה על שטח A של הלולאה קבוע והשארתו קבועה בזווית קבועה, שבמקרה של הדמות היא 0º, ואז:

איור 4. אם הלולאה מסתובבת בין הקטבים של מגנט, מתקבל מחולל סינוסואידי. מקור: פ. זפטה.

כך מתקבל גנרטור סינוסואידי, ואם במקום סליל בודד משתמשים במספר N של סלילים, ה- emk המושרה גדול יותר:

איור 5. בגנרטור זה מסתובב המגנט בכדי לגרום לזרם בסליל. מקור: 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.