La legge di Faraday nell'elettromagnetismo stabilisce che un flusso di campo magnetico variabile è in grado di indurre una corrente elettrica in un circuito chiuso.

Nel 1831, il fisico inglese Michael Faraday sperimentò con conduttori mobili all'interno di un campo magnetico e anche campi magnetici variabili che passavano attraverso conduttori fissi.

Figura 1. Esperimento di induzione di Faraday

Faraday si rese conto che se variava il flusso del campo magnetico nel tempo, era in grado di stabilire una tensione proporzionale a quella variazione. Se ε è la tensione o la forza elettromotrice indotta (emf indotta) e Φ è il flusso del campo magnetico, può essere espresso matematicamente:

-ε- = ΔΦ / Δt

Dove il simbolo Δ indica la variazione della quantità e le barre nella fem indicano il valore assoluto di questa. Poiché si tratta di un circuito chiuso, la corrente può fluire in una direzione o nell'altra.

Il flusso magnetico, prodotto da un campo magnetico su una superficie, può variare in diversi modi, ad esempio:

-Spostare una barra magnetica attraverso un anello circolare.

-Aumentare o diminuire l'intensità del campo magnetico che attraversa il loop.

-Lascia il campo fisso, ma attraverso qualche meccanismo cambia l'area del loop.

-Combinazione dei metodi precedenti.

Figura 2. Il fisico inglese Michael Faraday (1791-1867).

Formule e unità

Supponiamo di avere una zona di circuito chiuso A come una bobina circolare o avvolgimento uguale a quella di figura 1, e che ha un magnete che produce un campo magnetico B .

Il flusso di campo magnetico Φ è una quantità scalare che si riferisce al numero di linee di campo che attraversano l'area A. Nella figura 1 sono le linee bianche che lasciano il polo nord del magnete e ritornano attraverso il sud.

L'intensità del campo sarà proporzionale al numero di linee per unità di area, quindi possiamo vedere che ai poli è molto intenso. Ma possiamo avere un campo molto intenso che non produce flusso nel loop, cosa che possiamo ottenere modificando l'orientamento del loop (o del magnete).

Per tenere conto del fattore di orientamento, il flusso del campo magnetico è definito come il prodotto scalare tra B e n , dove n è il vettore unitario normale alla superficie del loop e indica il suo orientamento:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Dove θ è l'angolo tra B e n . Se, per esempio, B e n sono perpendicolari, il campo di flusso magnetico è zero, perché in questo caso il campo è tangente al piano della spira e non può passare attraverso la sua superficie.

D'altra parte, se B e n sono paralleli, significa che il campo è perpendicolare al piano del loop e le linee lo attraversano il più possibile.

L'unità del Sistema Internazionale per F è il weber (W), dove 1 W = 1 Tm ² (leggi “tesla per metro quadrato”).

Legge di Lenz

Nella figura 1 possiamo vedere che la polarità della tensione cambia con il movimento del magnete. La polarità è stabilita dalla legge di Lenz, la quale afferma che la tensione indotta deve opporsi alla variazione che la produce.

Se, ad esempio, il flusso magnetico prodotto dal magnete aumenta, si stabilisce nel conduttore una corrente che circola creando un proprio flusso, che si oppone a questo aumento.

Se invece il flusso creato dal magnete diminuisce, la corrente indotta circola in modo tale che il flusso stesso contrasti tale diminuzione.

Per tenere conto di questo fenomeno viene anteposto un segno negativo alla legge di Faraday e non è più necessario inserire le barre del valore assoluto:

ε = -ΔΦ / Δt

Questa è la legge di Faraday-Lenz. Se la variazione di flusso è infinitesimale, i delta vengono sostituiti da differenziali:

ε = -dΦ / dt

L'equazione precedente è valida per un ciclo. Ma se abbiamo una bobina di N spire, il risultato è molto migliore, perché l'emf viene moltiplicato N volte:

ε = - N (dΦ / dt)

Esperimenti di Faraday

Affinché la corrente accenda la lampadina da produrre, deve esserci un movimento relativo tra il magnete e il circuito. Questo è uno dei modi in cui il flusso può variare, perché in questo modo cambia l'intensità del campo che passa attraverso il loop.

Non appena il movimento del magnete cessa, la lampadina si spegne, anche se il magnete viene lasciato fermo al centro del cappio. Ciò che serve per far circolare la corrente che accende la lampadina è che il flusso di campo varia.

Quando il campo magnetico varia nel tempo, possiamo esprimerlo come:

B = B (t).

Mantenendo costante l'area A del loop e lasciandola fissa ad un angolo costante, che nel caso della figura è 0º, allora:

Figura 4. Se l'anello viene ruotato tra i poli di un magnete, si ottiene un generatore sinusoidale. Fonte: F. Zapata.

Si ottiene così un generatore sinusoidale, e se invece di una singola bobina viene utilizzato un numero N di bobine, l'emf indotta è maggiore:

Figura 5. In questo generatore, il magnete viene ruotato per indurre corrente nella bobina. Fonte: 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.