La loi de Faraday en électromagnétisme établit qu'un flux de champ magnétique changeant est capable d'induire un courant électrique dans un circuit fermé.

En 1831, le physicien anglais Michael Faraday a expérimenté des conducteurs en mouvement dans un champ magnétique et des champs magnétiques variables qui passaient à travers des conducteurs fixes.

Figure 1. Expérience d'induction de Faraday

Faraday s'est rendu compte que s'il variait le flux du champ magnétique au fil du temps, il était capable d'établir une tension proportionnelle à cette variation. Si ε est la tension ou la force électromotrice induite (force électromotrice induite) et Φ est le flux de champ magnétique, il peut être exprimé sous forme mathématique:

-ε- = ΔΦ / Δt

Où le symbole Δ indique la variation de la quantité et les barres dans la force électromotrice indiquent la valeur absolue de celle-ci. Puisqu'il s'agit d'un circuit fermé, le courant peut circuler dans un sens ou dans l'autre.

Le flux magnétique, produit par un champ magnétique à travers une surface, peut varier de plusieurs manières, par exemple:

-Déplacement d'un barreau magnétique à travers une boucle circulaire.

-Augmentation ou diminution de l'intensité du champ magnétique qui traverse la boucle.

-Laisser le champ fixe, mais grâce à un mécanisme changer la zone de la boucle.

-Combinaison des méthodes précédentes.

Figure 2. Physicien anglais Michael Faraday (1791-1867).

Formules et unités

Supposons que nous ayons une zone en circuit fermé A comme une bobine d' enroulement circulaire ou égale à celle de la figure 1, et qui comporte un aimant qui produit un champ magnétique B.

Le flux de champ magnétique Φ est une grandeur scalaire qui fait référence au nombre de lignes de champ qui traversent la zone A. Dans la figure 1, ce sont les lignes blanches qui quittent le pôle nord de l'aimant et reviennent par le sud.

L'intensité du champ sera proportionnelle au nombre de lignes par unité de surface, nous pouvons donc voir qu'aux pôles il est très intense. Mais on peut avoir un champ très intense qui ne produit pas de flux dans la boucle, ce que l'on peut réaliser en changeant l'orientation de la boucle (ou de l'aimant).

Pour prendre en compte le facteur d'orientation, le flux de champ magnétique est défini comme le produit scalaire entre B et n, où n est le vecteur normal unitaire à la surface de la boucle et indique son orientation:

Φ = B • n A = BA.cosθ

Où θ est l'angle entre B et n. Si, par exemple, B et n sont perpendiculaires, le flux de champ magnétique est nul, car dans ce cas le champ est tangent au plan de la boucle et ne peut pas traverser sa surface.

Par contre, si B et n sont parallèles, cela signifie que le champ est perpendiculaire au plan de la boucle et que les lignes la traversent le plus possible.

L'unité du système international pour F est le weber (W), où 1 W = 1 Tm ² (lire «tesla par mètre carré»).

Loi de Lenz

Sur la figure 1, nous pouvons voir que la polarité de la tension change lorsque l'aimant se déplace. La polarité est établie par la loi de Lenz, qui stipule que la tension induite doit s'opposer à la variation qui la produit.

Si, par exemple, le flux magnétique produit par l'aimant augmente, un courant s'établit dans le conducteur qui circule créant son propre flux, qui s'oppose à cette augmentation.

Si, au contraire, le flux créé par l'aimant diminue, le courant induit circule de telle sorte que le flux lui-même contrecarre ladite diminution.

Pour prendre en compte ce phénomène, un signe négatif est ajouté à la loi de Faraday et il n'est plus nécessaire de placer les barres de valeur absolue:

ε = -ΔΦ / Δt

C'est la loi Faraday-Lenz. Si la variation de débit est infinitésimale, les deltas sont remplacés par des différentiels:

ε = -dΦ / dt

L'équation ci-dessus est valable pour une boucle. Mais si nous avons une bobine de N tours, le résultat est bien meilleur, car la force électromotrice est multipliée N fois:

ε = - N (dΦ / dt)

Expériences de Faraday

Pour que le courant allumant l'ampoule soit produit, il doit y avoir un mouvement relatif entre l'aimant et la boucle. C'est l'une des façons dont le flux peut varier, car de cette manière l'intensité du champ traversant la boucle change.

Dès que le mouvement de l'aimant cesse, l'ampoule s'éteint, même si l'aimant reste encore au milieu de la boucle. Ce qu'il faut pour faire circuler le courant qui allume l'ampoule, c'est que le flux de champ varie.

Lorsque le champ magnétique varie avec le temps, nous pouvons l'exprimer comme:

B = B (t).

En gardant la zone A de la boucle constante et en la laissant fixe à un angle constant, qui dans le cas de la figure est de 0 °, alors:

Figure 4. Si la boucle est tournée entre les pôles d'un aimant, un générateur sinusoïdal est obtenu. Source: F. Zapata.

Ainsi, on obtient un générateur sinusoïdal, et si au lieu d'une seule bobine on utilise un nombre N de bobines, la force électromotrice induite est plus grande:

Figure 5. Dans ce générateur, l'aimant est mis en rotation pour induire du courant dans la bobine. Source: 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.