Các định luật Faraday trong điện thiết lập một sự thay đổi từ trường thông lượng có thể gây ra một dòng điện trong một mạch kín.

Năm 1831, nhà vật lý người Anh Michael Faraday đã thử nghiệm với các dây dẫn chuyển động trong một từ trường và từ trường cũng thay đổi đi qua các dây dẫn cố định.

Hình 1. Thí nghiệm cảm ứng Faraday

Faraday nhận ra rằng nếu anh ta thay đổi từ thông của từ trường theo thời gian, anh ta có thể thiết lập một hiệu điện thế tỷ lệ với sự biến đổi đó. Nếu ε là điện áp hoặc suất điện động cảm ứng (emf cảm ứng) và Φ là thông lượng từ trường, thì nó có thể được biểu thị bằng toán học:

-ε- = ΔΦ / Δt

Trong đó ký hiệu Δ cho biết sự thay đổi của đại lượng và các thanh trong emf cho biết giá trị tuyệt đối của điều này. Vì nó là một mạch kín nên dòng điện có thể chạy theo hướng này hoặc hướng khác.

Từ thông, được tạo ra bởi từ trường trên một bề mặt, có thể thay đổi theo một số cách, ví dụ:

-Di chuyển một thanh nam châm qua một vòng tròn.

-Tăng hoặc giảm cường độ từ trường truyền qua mạch dây.

-Để trường cố định, nhưng thông qua một số cơ chế thay đổi diện tích của vòng lặp.

-Kết hợp các phương pháp trước.

Hình 2. Nhà vật lý người Anh Michael Faraday (1791-1867).

Công thức và đơn vị

Giả sử chúng ta có một khu vực mạch kín A như một cuộn dây tròn hoặc uốn lượn ngang bằng với các hình 1, và trong đó có một nam châm mà tạo ra một từ trường B .

Từ thông Φ là đại lượng vô hướng dùng để chỉ số đường sức có diện tích cắt ngang A. Trong hình 1 là các vạch trắng rời khỏi cực bắc của nam châm và quay trở lại hướng nam.

Cường độ của trường sẽ tỷ lệ với số dòng trên một đơn vị diện tích, vì vậy chúng ta có thể thấy rằng ở các cực nó rất cường độ. Nhưng chúng ta có thể có một trường rất mạnh không tạo ra từ thông trong vòng lặp, mà chúng ta có thể đạt được bằng cách thay đổi hướng của vòng lặp (hoặc nam châm).

Để tính đến yếu tố định hướng, từ thông được định nghĩa là tích vô hướng giữa B và n , trong đó n là vectơ pháp tuyến đơn vị đối với bề mặt của vòng lặp và cho biết hướng của nó:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Trong đó θ là góc giữa B và n . Ví dụ, nếu B và n vuông góc với nhau, thì từ thông của từ trường bằng không, vì trong trường hợp đó, trường tiếp tuyến với mặt phẳng của vòng lặp và không thể đi qua bề mặt của nó.

Mặt khác, nếu B và n song song, có nghĩa là trường vuông góc với mặt phẳng của vòng lặp và các đường thẳng đi qua nó càng nhiều càng tốt.

Đơn vị Hệ thống Quốc tế cho F là weber (W), trong đó 1 W = 1 Tm ² (đọc là "tesla trên mét vuông").

Định luật Lenz

Trong hình 1, chúng ta có thể thấy rằng cực của điện áp thay đổi khi nam châm chuyển động. Sự phân cực được thiết lập bởi định luật Lenz, trong đó nói rằng điện áp cảm ứng phải chống lại sự biến đổi tạo ra nó.

Ví dụ, nếu từ thông tạo ra bởi nam châm tăng lên, thì một dòng điện được thiết lập trong dây dẫn lưu thông tạo ra từ thông của chính nó, phản đối sự gia tăng này.

Ngược lại, nếu từ thông tạo ra bởi nam châm giảm đi, thì dòng điện cảm ứng sẽ chuyển động theo cách mà bản thân từ thông chống lại sự giảm nói trên.

Để tính đến hiện tượng này, một dấu âm được thêm vào định luật Faraday và không cần đặt các thanh giá trị tuyệt đối nữa:

ε = -ΔΦ / Δt

Đây là định luật Faraday-Lenz. Nếu biến thể luồng là vô số, các delta được thay thế bằng các vi phân:

ε = -dΦ / dt

Phương trình trên là hợp lệ cho một vòng lặp. Nhưng nếu chúng ta có một cuộn dây gồm N vòng, kết quả tốt hơn nhiều, vì emf được nhân với N lần:

ε = - N (dΦ / dt)

Thử nghiệm Faraday

Để dòng điện thắp sáng bóng đèn được tạo ra thì giữa nam châm và vòng dây phải có chuyển động tương đối. Đây là một trong những cách mà thông lượng có thể thay đổi, bởi vì theo cách này cường độ của trường đi qua vòng lặp thay đổi.

Ngay sau khi chuyển động của nam châm chấm dứt, bóng đèn tắt, ngay cả khi nam châm vẫn ở giữa vòng dây. Điều cần thiết để lưu thông dòng điện làm bật bóng đèn là từ thông biến thiên.

Khi từ trường thay đổi theo thời gian, chúng ta có thể biểu thị nó như sau:

B = B (t).

Bằng cách giữ cho diện tích A của vòng lặp không đổi và để nó cố định ở một góc không đổi, trong trường hợp của hình là 0º, thì:

Hình 4. Nếu quay vòng dây giữa các cực của một nam châm thì sẽ thu được một máy phát hình sin. Nguồn: F. Zapata.

Do đó, máy phát điện hình sin thu được, và nếu thay vì một cuộn dây đơn, người ta sử dụng số N cuộn dây, thì emf cảm ứng lớn hơn:

Hình 5. Trong máy phát điện này, nam châm được quay để tạo ra dòng điện trong cuộn dây. Nguồn: 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.