Inducció electromagnètica

La inducció electromagnètica apareix quan canvia el flux magnètic a través d’un circuit. Un camp pot ser molt intens i, tanmateix, no induir cap fem si el flux rellevant es manté constant.

Flux magnètic: la magnitud que ha de canviar

normal a la superfíciecamp B uniformeΦ = BA cos θ
El flux compta la component de B que travessa la superfície.

Per un camp uniforme i una superfície plana, Φ=BA cosθ, on θ és l’angle entre B⃗ i la normal a la superfície, no l’angle amb el pla. El flux pot canviar perquè varia B, l’àrea travessada o l’orientació. La unitat és el weber (Wb).

Llei de Faraday

La llei de Faraday és ε=−N dΦ/dt. Per una variació finita, el mòdul mitjà és N|ΔΦ|/Δt. No és el valor del flux per si sol el que importa, sinó la rapidesa amb què canvia l’enllaç de flux de les N espires.

Llei de Lenz i conservació de l’energia

El signe menys és la llei de Lenz: el corrent induït crea un camp que s’oposa al canvi de flux que l’ha originat. No “s’oposa al camp” de manera genèrica. Aquesta oposició és necessària per conservar l’energia; si reforcés espontàniament el canvi, el sistema podria autoaccelerar-se sense aportació externa.

canvi imposatresposta induïdael corrent s’oposa al canvi
La resposta induïda protegeix la conservació de l’energia.

Com pot variar el flux

El flux canvia si una bobina entra o surt d’una regió de camp, si gira, si varia B amb el temps o si canvia l’àrea efectiva. En tots els casos la mateixa llei de Faraday descriu la fem, encara que el mecanisme microscòpic pugui incloure forces sobre càrregues mòbils o camps elèctrics induïts.

Generadors, moviment i transformadors

En un generador, una bobina gira i transforma treball mecànic en energia elèctrica. Una barra conductora que es mou en un camp pot tenir una fem motriu aproximada ε=Bℓv en la geometria adequada. Els transformadors utilitzen un flux variable compartit entre bobines i funcionen amb corrent variable, no amb un corrent continu estacionari.

Exemples resolts

1. Flux magnètic

B=0,30 T travessa perpendicularment A=0,020 m².

Solució

Φ=BA=6,0×10⁻³ Wb.

2. Bobina de 200 espires

El flux per espira canvia 3,0 mWb en 0,050 s.

Solució

|ε|=N|ΔΦ|/Δt=12 V.

3. Sentit de Lenz

Un pol nord d’un imant s’acosta a una bobina. Com respon la cara propera?

Solució

La bobina crea una cara nord per oposar-se a l’augment de flux causat per l’aproximació.