电磁中的法拉第定律建立了变化的磁场通量,该磁场通量能够在闭合电路中感应出电流。
1831年,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)对磁场中的移动导体以及通过固定导体的变化磁场进行了实验。
图1.法拉第诱导实验
法拉第意识到,如果他随时间改变磁场通量,他就能建立与该变化成比例的电压。如果ε是电压或感应电动势(感应电动势),而Φ是磁场通量,则可以用数学公式表示:
-ε-=ΔΦ/Δt
其中,符号Δ表示数量的变化,而电动势中的条形图表示此数量的绝对值。由于它是闭合电路,因此电流可以沿一个方向或另一个方向流动。
整个表面上的磁场产生的磁通量可以多种方式变化,例如:
-将棒形磁铁移动通过圆形回路。
-增加或减少通过回路的磁场强度。
-保持字段固定,但通过某种机制更改环路的面积。
-结合以前的方法。
图2.英国物理学家迈克尔·法拉第(1791-1867)。
公式和单位
假设我们有一个闭合电路区域A,它是一个与图1相等的圆形线圈或绕组,并且它具有一个产生磁场B的磁体。
磁场通量Φ是一个标量,它表示穿过面积A的磁力线的数量。图1中的白线是离开磁体北极并从南部返回的白线。
电场强度将与单位面积的线数成正比,因此我们可以看到在极点处它非常强烈。但是我们可以有一个非常强的磁场,它不会在环路中产生磁通,这可以通过改变环路(或磁体)的方向来实现。
考虑到方向因子,磁场通量定义为B和n之间的标量积,其中n是环路表面的单位法向矢量,并指示其方向:
Φ= B • n A =BA.cosθ
θ是B和n之间的夹角。例如,如果B和n垂直,则磁场通量为零,因为在那种情况下,磁场与环路平面相切并且无法穿过环路的表面。
另一方面,如果B和n平行,则意味着该场垂直于回路平面,并且线尽可能多地穿过回路。
F的国际单位是韦伯(W),其中1 W = 1 Tm 2(读数为“每平方米特斯拉”)。
伦兹定律
在图1中,我们可以看到电压的极性随磁铁的移动而变化。极性是由伦茨定律建立的,该定律规定感应电压必须与产生它的变化相反。
如果例如由磁体产生的磁通量增加,则在导体中建立电流,该电流循环以产生其自身的磁通量,该电流与此相反。
相反,如果由磁体产生的通量减小,则感应电流以这样的方式循环,即通量本身抵消了所述减小。
要考虑到这种现象,法拉第定律之前会加上一个负号,并且不再需要放置绝对值栏:
ε=-ΔΦ/Δt
这是法拉第-伦茨法则。如果流量变化为无穷小,则将增量替换为微分:
ε=-dΦ/ dt
上式对循环有效。但是如果我们有N匝线圈,则结果会好得多,因为电动势会乘以N倍:
ε=-N(dΦ/ dt)
法拉第实验
为了使电流点亮要产生的灯泡,磁体和环路之间必须存在相对运动。这是通量变化的一种方式,因为通过这种方式,穿过环路的磁场强度会发生变化。
磁铁停止运动后,即使磁铁仍留在回路中间,灯泡也会关闭。循环打开灯泡的电流所需要的是,磁场通量会变化。
当磁场随时间变化时,我们可以表示为:
B = B(t)。
通过使环路的面积A保持恒定并使其保持固定的恒定角度(在该情况下为0º),则:
图4.如果环路在磁体的磁极之间旋转,则可获得正弦波发生器。资料来源:F. Zapata。
因此,获得了一个正弦波发生器,并且如果不是使用单个线圈而是使用N个线圈,则感应电动势会更大:
图5.在该发电机中,磁铁旋转以在线圈中感应出电流。资料来源:维基共享资源。
Original text
Referencias
- Figueroa, D. 2005. Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 6. Electromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB).
- Giambattista, A. 2010. Physics. Second Edition. McGraw Hill.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed. Prentice Hall.
- Resnick, R. 1999. Física. Vol. 2. 3ra Ed. en español. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2.