يحدد قانون فاراداي في الكهرومغناطيسية أن تدفق المجال المغناطيسي المتغير قادر على إحداث تيار كهربائي في دائرة مغلقة.

في عام 1831 ، أجرى الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي تجارب على الموصلات المتحركة داخل مجال مغناطيسي وكذلك الحقول المغناطيسية المتغيرة التي تمر عبر الموصلات الثابتة.

الشكل 1. التجربة التعريفي فاراداي

أدرك فاراداي أنه إذا قام بتغيير تدفق المجال المغناطيسي بمرور الوقت ، فسيكون قادرًا على إنشاء جهد يتناسب مع هذا الاختلاف. إذا كان ε هو الجهد أو القوة الدافعة الكهربائية المستحثة (emf المستحثة) و هي تدفق المجال المغناطيسي ، فيمكن التعبير عنها رياضيًا:

-ε- = / t

حيث يشير الرمز Δ إلى تباين الكمية وتشير الأعمدة في emf إلى القيمة المطلقة لذلك. نظرًا لأنها دائرة مغلقة ، يمكن للتيار أن يتدفق في اتجاه واحد أو آخر.

يمكن أن يختلف التدفق المغناطيسي ، الناتج عن مجال مغناطيسي عبر سطح ما ، بعدة طرق ، على سبيل المثال:

-تحريك قضيب مغناطيسي خلال حلقة دائرية.

- زيادة أو تقليل شدة المجال المغناطيسي الذي يمر عبر الحلقة.

- ترك المجال ثابتًا ، ولكن من خلال بعض الآليات ، قم بتغيير مساحة الحلقة.

- الجمع بين الطرق السابقة.

الشكل 2. عالم الفيزياء الإنجليزي مايكل فاراداي (1791-1867).

الصيغ والوحدات

لنفترض أن لدينا مغلقة منطقة الدائرة وكما لفائف دائري أو لف مساوية لتلك التي في الشكل 1، والتي لديها المغناطيس الذي ينتج مجال مغناطيسي B.

تدفق المجال المغناطيسي هو كمية قياسية تشير إلى عدد خطوط المجال التي تعبر المنطقة أ. في الشكل 1 توجد الخطوط البيضاء التي تترك القطب الشمالي للمغناطيس وتعود عبر الجنوب.

ستكون شدة المجال متناسبة مع عدد الخطوط لكل وحدة مساحة ، لذلك يمكننا أن نرى أنها شديدة جدًا في القطبين. لكن يمكن أن يكون لدينا مجال شديد الكثافة لا ينتج عنه تدفق في الحلقة ، وهو ما يمكننا تحقيقه عن طريق تغيير اتجاه الحلقة (أو المغناطيس).

لأخذ عامل التوجيه في الاعتبار ، يتم تعريف تدفق المجال المغناطيسي على أنه المنتج القياسي بين B و n ، حيث n هو المتجه الطبيعي للوحدة على سطح الحلقة وهذا يشير إلى اتجاهها:

Φ = B • n A = BA.cosθ

حيث θ هي الزاوية بين B و n. إذا كان B و n ، على سبيل المثال ، متعامدين ، فإن تدفق المجال المغناطيسي يكون صفرًا ، لأنه في هذه الحالة يكون المجال مماسًا لمستوى الحلقة ولا يمكنه المرور عبر سطحه.

من ناحية أخرى ، إذا كانت B و n متوازيتين ، فهذا يعني أن المجال متعامد على مستوى الحلقة وأن الخطوط تمر عبرها قدر الإمكان.

وحدة النظام الدولي لـ F هي Weber (W) ، حيث 1 W = 1 Tm ² (اقرأ "تسلا لكل متر مربع").

قانون لينز

في الشكل 1 ، يمكننا أن نرى أن قطبية الجهد تتغير مع تحرك المغناطيس. تم تأسيس القطبية بموجب قانون لينز ، الذي ينص على أن الجهد المستحث يجب أن يعارض التباين الذي ينتج عنه.

إذا زاد التدفق المغناطيسي الناتج عن المغناطيس ، على سبيل المثال ، يتم إنشاء تيار في الموصل يدور مكونًا تدفقه الخاص ، والذي يعارض هذه الزيادة.

على العكس من ذلك ، إذا انخفض التدفق الناتج عن المغناطيس ، فإن التيار المستحث يدور بطريقة تجعل التدفق نفسه يتعارض مع الانخفاض المذكور.

لأخذ هذه الظاهرة في الاعتبار ، يتم تقديم علامة سالبة لقانون فاراداي ولم يعد من الضروري وضع أشرطة القيمة المطلقة:

ε =-/ Δt

هذا هو قانون فاراداي لينز. إذا كان تباين التدفق متناهي الصغر ، يتم استبدال الدلتا بفروق:

ε = -dΦ / دينارا

المعادلة أعلاه صالحة للحلقة. ولكن إذا كان لدينا ملف من N لفات ، فإن النتيجة أفضل بكثير ، لأن emf يتضاعف N مرات:

ε = - N (dΦ / dt)

تجارب فاراداي

لكي يضيء التيار المصباح ، يجب أن تكون هناك حركة نسبية بين المغناطيس والحلقة. هذه إحدى الطرق التي يمكن أن يتغير بها التدفق ، لأنه بهذه الطريقة تتغير شدة المجال الذي يمر عبر الحلقة.

بمجرد توقف حركة المغناطيس ، ينطفئ المصباح ، حتى إذا ترك المغناطيس ثابتًا في منتصف الحلقة. ما نحتاجه لتدوير التيار الذي يضيء المصباح هو أن تدفق المجال يختلف.

عندما يتغير المجال المغناطيسي بمرور الوقت ، يمكننا التعبير عنه على النحو التالي:

ب = ب (ر).

بالحفاظ على المنطقة أ من الحلقة ثابتة وتركها ثابتة بزاوية ثابتة ، والتي في حالة الشكل هي 0º ، ثم:

الشكل 4. إذا تم تدوير الحلقة بين أقطاب المغناطيس ، يتم الحصول على مولد جيبي. المصدر: F. Zapata.

وبالتالي ، يتم الحصول على مولد جيبي ، وإذا تم استخدام عدد N من الملفات بدلاً من ملف واحد ، فإن emf المستحث يكون أكبر:

الشكل 5. في هذا المولد ، يتم تدوير المغناطيس للحث على التيار في الملف. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

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.