กฎหมายฟาราเดย์ในแม่เหล็กไฟฟ้ากำหนดเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กฟลักซ์สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรปิด

ในปีพ. ศ. 2374 ไมเคิลฟาราเดย์นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ทดลองใช้ตัวนำเคลื่อนที่ภายในสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันซึ่งผ่านตัวนำคงที่

รูปที่ 1. การทดลองการเหนี่ยวนำฟาราเดย์

ฟาราเดย์ตระหนักว่าหากเขาเปลี่ยนฟลักซ์สนามแม่เหล็กเมื่อเวลาผ่านไปเขาก็สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วนของรูปแบบนั้นได้ ถ้าεคือแรงดันไฟฟ้าหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ) และΦคือฟลักซ์สนามแม่เหล็กก็สามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้:

-ε- = ΔΦ / Δt

โดยที่สัญลักษณ์Δบ่งบอกถึงความแปรผันของปริมาณและแท่งในแรงเคลื่อนไฟฟ้าแสดงถึงค่าสัมบูรณ์ของสิ่งนี้ เนื่องจากเป็นวงจรปิดกระแสจึงสามารถไหลไปในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่ง

ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวอาจแตกต่างกันได้หลายวิธีตัวอย่างเช่น

- เคลื่อนย้ายแท่งแม่เหล็กผ่านวงรอบ

- การเพิ่มหรือลดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่ผ่านลูป

- ออกจากฟิลด์คงที่ แต่ด้วยกลไกบางอย่างทำให้พื้นที่ของลูปเปลี่ยนไป

- รวมวิธีการก่อนหน้านี้

รูปที่ 2. Michael Faraday นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ (1791-1867)

สูตรและหน่วย

สมมติว่าเรามีพื้นที่วงจรปิดเป็นม้วนกลมหรือคดเคี้ยวเท่ากับว่ารูปที่ 1 และที่มีแม่เหล็กที่ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กB

ฟลักซ์สนามแม่เหล็กΦคือปริมาณสเกลาร์ที่อ้างถึงจำนวนเส้นสนามที่ตัดขวางพื้นที่ A ในรูปที่ 1 คือเส้นสีขาวที่ออกจากขั้วเหนือของแม่เหล็กและกลับมาทางใต้

ความเข้มของสนามจะแปรผันตามจำนวนเส้นต่อหน่วยพื้นที่ดังนั้นเราจะเห็นว่าที่ขั้วนั้นรุนแรงมาก แต่เราสามารถมีสนามที่เข้มข้นมากซึ่งไม่ก่อให้เกิดฟลักซ์ในลูปซึ่งเราสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนทิศทางของลูป (หรือแม่เหล็ก)

จะต้องคำนึงถึงปัจจัยปฐมนิเทศ, ฟลักซ์สนามแม่เหล็กถูกกำหนดให้เป็นผลคูณระหว่างBและnที่n เป็นหน่วยเวกเตอร์ปกติกับพื้นผิวของวงและที่บ่งชี้ว่าการปฐมนิเทศ:

Φ = B • n A = BA.cosθ

ที่ไหนθคือมุมระหว่างBและnตัวอย่างเช่นถ้าBและnตั้งฉากกันฟลักซ์สนามแม่เหล็กจะเป็นศูนย์เพราะในกรณีนั้นสนามสัมผัสกับระนาบของลูปและไม่สามารถผ่านพื้นผิวได้

ในทางกลับกันถ้าBและnขนานกันหมายความว่าสนามนั้นตั้งฉากกับระนาบของลูปและเส้นผ่านมันให้มากที่สุด

หน่วยระบบสากลสำหรับ F คือเวเบอร์ (W) โดยที่ 1 W = 1 Tm ² (อ่าน "tesla ต่อตารางเมตร")

กฎหมายของ Lenz

ในรูปที่ 1 เราจะเห็นว่าขั้วของแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนไปเมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่ ขั้วถูกกำหนดโดยกฎหมายของ Lenz ซึ่งระบุว่าแรงดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำจะต้องต่อต้านการเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิด

ตัวอย่างเช่นหากฟลักซ์แม่เหล็กที่ผลิตโดยแม่เหล็กเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในตัวนำที่ไหลเวียนเพื่อสร้างฟลักซ์ของตัวเองซึ่งต่อต้านการเพิ่มขึ้นนี้

หากในทางตรงกันข้ามฟลักซ์ที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กลดลงกระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำจะไหลเวียนในลักษณะที่ฟลักซ์เองต่อต้านการลดลง

ในการพิจารณาปรากฏการณ์นี้เครื่องหมายลบจะอยู่ข้างหน้ากฎของฟาราเดย์และไม่จำเป็นต้องวางแถบค่าสัมบูรณ์อีกต่อไป:

ε = -ΔΦ / Δt

นี่คือกฎหมาย Faraday-Lenz หากรูปแบบการไหลน้อยที่สุดเดลต้าจะถูกแทนที่ด้วยดิฟเฟอเรนเชียล:

ε = -dΦ / วท

สมการข้างต้นใช้ได้สำหรับการวนซ้ำ แต่ถ้าเรามีขดลวด N เทิร์นผลลัพธ์จะดีกว่ามากเพราะ emf คูณ N คูณ:

ε = - ยังไม่มีข้อความ (dΦ / dt)

การทดลองของฟาราเดย์

เพื่อให้กระแสไฟที่จะผลิตหลอดไฟต้องมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างแม่เหล็กและลูป นี่เป็นวิธีหนึ่งที่ฟลักซ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากด้วยวิธีนี้ความเข้มของสนามที่ผ่านการวนซ้ำจะเปลี่ยนไป

ทันทีที่การเคลื่อนที่ของแม่เหล็กสิ้นสุดลงหลอดไฟจะดับลงแม้ว่าแม่เหล็กจะยังคงอยู่ตรงกลางของวงก็ตาม สิ่งที่จำเป็นในการหมุนเวียนกระแสที่เปิดหลอดไฟคือฟลักซ์สนามแตกต่างกันไป

เมื่อสนามแม่เหล็กแปรผันตามเวลาเราสามารถแสดงเป็น:

B = B (เสื้อ)

โดยการรักษาพื้นที่ A ของลูปคงที่และปล่อยให้คงที่ที่มุมคงที่ซึ่งในกรณีของรูปคือ0ºจากนั้น:

รูปที่ 4 หากวงรอบถูกหมุนระหว่างขั้วของแม่เหล็กจะได้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ารูปไซน์ ที่มา: F. Zapata

ดังนั้นจึงได้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าไซน์และถ้าใช้ขดลวดจำนวน N แทนขดลวดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำจะมีค่ามากกว่า:

รูปที่ 5. ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้แม่เหล็กจะหมุนเพื่อเหนี่ยวนำกระแสในขดลวด ที่มา: 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.