The hukum Faraday dalam elektromagnetisme menghasilkan medan magnet yang berubah fluks mampu menginduksi arus listrik dalam rangkaian tertutup.

Pada tahun 1831, fisikawan Inggris Michael Faraday bereksperimen dengan konduktor bergerak dalam medan magnet dan juga berbagai medan magnet yang melewati konduktor tetap.

Gambar 1. Percobaan induksi Faraday

Faraday menyadari bahwa jika dia memvariasikan fluks medan magnet dari waktu ke waktu, dia dapat menetapkan tegangan yang sebanding dengan variasi itu. Jika ε adalah tegangan atau gaya gerak listrik induksi (ggl terinduksi) dan Φ adalah fluks medan magnet, dapat dinyatakan secara matematis:

-ε- = ΔΦ / Δt

Di mana simbol Δ menunjukkan variasi kuantitas dan batang di ggl menunjukkan nilai absolut ini. Karena ini adalah rangkaian tertutup, arus dapat mengalir ke satu arah atau yang lain.

Fluks magnet, yang dihasilkan oleh medan magnet di suatu permukaan, dapat bervariasi dalam beberapa cara, misalnya:

-Menggerakkan magnet batang melalui lingkaran melingkar.

-Menambah atau mengurangi intensitas medan magnet yang melewati loop.

-Meninggalkan bidang tetap, tetapi melalui beberapa mekanisme mengubah area loop.

-Mengkombinasikan metode sebelumnya.

Gambar 2. Fisikawan Inggris Michael Faraday (1791-1867).

Rumus dan Satuan

Misalkan kita memiliki area sirkuit A tertutup sebagai kumparan melingkar atau berkelok-kelok sama dengan yang Gambar 1, dan yang memiliki magnet yang menghasilkan medan magnet B .

Fluks medan magnet Φ adalah besaran skalar yang mengacu pada banyaknya garis medan yang melintang A. Pada gambar 1 terdapat garis putih yang meninggalkan kutub utara magnet dan kembali melalui selatan.

Intensitas medan akan sebanding dengan jumlah garis per satuan luas, jadi kita dapat melihat bahwa di kutub sangat intens. Tetapi kita dapat memiliki medan yang sangat kuat yang tidak menghasilkan fluks dalam loop, yang dapat kita capai dengan mengubah orientasi loop (atau magnet).

Untuk memperhitungkan faktor orientasi, fluks medan magnet didefinisikan sebagai hasil kali skalar antara B dan n , di mana n adalah vektor normal satuan ke permukaan loop dan menunjukkan orientasinya:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Dimana θ adalah sudut antara B dan n . Jika, misalnya, B dan n tegak lurus, fluks medan magnet adalah nol, karena dalam hal ini bidang bersinggungan dengan bidang lingkaran dan tidak dapat melewati permukaannya.

Sebaliknya, jika B dan n sejajar, itu berarti bidang tersebut tegak lurus dengan bidang lingkaran dan garis-garis tersebut melewatinya sebanyak mungkin.

Satuan Sistem Internasional untuk F adalah weber (W), dimana 1 W = 1 Tm ² (baca “tesla per square meter”).

Hukum Lenz

Pada gambar 1 kita dapat melihat bahwa polaritas tegangan berubah saat magnet bergerak. Polaritas ditentukan oleh hukum Lenz, yang menyatakan bahwa tegangan induksi harus melawan variasi yang memproduksinya.

Misalnya, jika fluks magnet yang dihasilkan oleh magnet meningkat, arus yang terbentuk di konduktor yang bersirkulasi menciptakan fluksnya sendiri, yang menentang kenaikan ini.

Sebaliknya, jika fluks yang diciptakan oleh magnet berkurang, arus induksi bersirkulasi sedemikian rupa sehingga fluks itu sendiri melawan penurunan tersebut.

Untuk memperhitungkan fenomena ini, tanda negatif ditambahkan ke hukum Faraday dan tidak lagi perlu menempatkan bilah nilai absolut:

ε = -ΔΦ / Δt

Ini adalah hukum Faraday-Lenz. Jika variasi aliran sangat kecil, delta diganti dengan perbedaan:

ε = -dΦ / dt

Persamaan di atas berlaku untuk satu loop. Tetapi jika kita memiliki kumparan N ternyata hasilnya jauh lebih baik, karena ggl dikalikan N kali:

ε = - N (dΦ / dt)

Eksperimen Faraday

Agar arus yang menerangi bohlam dihasilkan, harus ada pergerakan relatif antara magnet dan loop. Ini adalah salah satu cara di mana fluks dapat bervariasi, karena dengan cara ini intensitas medan yang melewati loop berubah.

Segera setelah gerakan magnet berhenti, bola lampu akan mati, meskipun magnet masih tertinggal di tengah lingkaran. Yang dibutuhkan untuk mengedarkan arus yang menyalakan bohlam adalah fluks medan yang bervariasi.

Ketika medan magnet berubah-ubah seiring waktu, kita dapat mengekspresikannya sebagai:

B = B (t).

Dengan menjaga luas A loop konstan dan membiarkannya tetap pada sudut konstan, yang dalam kasus gambar adalah 0º, maka:

Gambar 4. Jika loop diputar di antara kutub magnet, generator sinusoidal diperoleh. Sumber: F. Zapata.

Jadi, generator sinusoidal diperoleh, dan jika alih-alih kumparan tunggal digunakan sejumlah N kumparan, ggl yang diinduksi lebih besar:

Gambar 5. Pada generator ini, magnet diputar untuk menginduksi arus pada kumparan. Sumber: 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.