Faradayren legea
Pengantar
Faradayren indukzio elektromagnetikoaren legea fisikako oinarrizko printzipioa da, eremu magnetiko aldakor batek eroale batean korronte elektrikoa nola sor dezakeen deskribatzen duena. Michael Faradayk 1831n aurkitu zuen lege hau elektromagnetismoaren zutabe nagusia da eta aplikazio ugari ditu teknologia modernoan, hala nola sorgailu elektrikoetan eta transformadoreetan. Artikulu honek Faradayren legearen atzean dagoen teoria, hura babesten duten esperimentuak eta bere aplikazio praktiko ugari azalduko ditu.
Oinarrizko teoria
Faradayren legearen definizioa
Faradayren legeak dio zirkuitu itxi batean induzitutako indar elektroeragilea (EMF) zirkuituan zehar doan fluxu magnetikoaren aldaketa-tasarekiko proportzionala dela. Matematikoki, lege hau honela adierazten da:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Non:
– \( \mathcal{E} \) induzitutako EMF da (voltetan),
– \( \Phi_B \) fluxu magnetikoa da (Weber-etan),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) fluxu magnetikoaren aldaketa-tasa da.
Ekuazio honetako zeinu negatiboa Lenz-en Legetik dator, eta honek dio induzitutako EMF-aren norabidea beti dela, non hura eragiten duen fluxu magnetikoaren aldaketaren aurka egiten duen.
Fluxu magnetikoa
Fluxu magnetikoa (\Phi_B\) eremu jakin batetik igarotzen den eremu magnetikoaren kantitatearen neurria da. Fluxu magnetikoa honela definitzen da:
[Phi_B = B ∫A ∫cos(θ)]
Non:
– \( B \) eremu magnetikoa da (teslatan),
– \(A\) eremu magnetikoak zeharkatzen duen azalera da (metro karratutan),
– θ eremu magnetikoaren eta azalerarekiko perpendikularra den lerroaren arteko angelua da.
Lenzen legea
Lenzen legeak induzitutako EMFaren eta ondoriozko korrontearen norabidea ematen du. Lenzen legearen arabera, zirkuitu batean induzitutako korronte batek eremu magnetiko bat sortuko du, eta eremu horrek eragin duen fluxu magnetikoaren aldaketaren aurka egingo du. Matematikoki, hau Faradayren legearen ekuazioan zeinu negatiboarekin adierazten da.
Faradayren esperimentua
Indukzio elektromagnetikoaren aurkikuntza
Michael Faradayk esperimentu sorta bat egin zuen 1831n eremu magnetikoen eta korronte elektrikoen arteko erlazioa aztertzeko. Faradayren esperimentu nagusietako batek galvanometro batera (korronte elektrikoa neurtzeko gailu bat) eta barra-iman batera konektatutako hari-bobina bat erabili zuen. Faradayk aurkitu zuen barra-imana bobinara hurbiltzen edo urruntzen zenean, korronte elektriko bat induzitzen zela bobinan, eta hori galvanometroak detektatzen zuela.
Aldaera esperimentalak
Faradayk esperimentu honen aldaera bat ere egin zuen, burdinazko nukleo baten inguruan bildutako bi alanbre-bobina erabiliz. Korronte elektriko bat lehenengo bobinatik (lehen mailako bobinatik) igarotzean, sortzen den eremu magnetikoak korronte elektriko bat induzitzen zuen bigarren bobinan (bigarren mailako bobinan). Faradayk ondorioztatu zuen bobinen zeharreko eremu magnetiko aldakorra zela korronte elektriko induzituaren kausa.
Faradayren legearen aplikazioa
Sorgailu elektrikoa
Sorgailu elektrikoa Faradayren Legearen aplikazio nagusietako bat da. Sorgailuek energia mekanikoa energia elektriko bihurtzen dute indukzio elektromagnetikoaren printzipioaren bidez. Hari-bobina bat eremu magnetiko batean biratzen denean, bobinaren zeharreko fluxu magnetiko aldakorrak fem bat sortzen du, eta horrek korronte elektrikoa induzitzen du.
1. Korronte alternoko (AC) sorgailua
– Funtzionamendu printzipioa: Korronte alternoko sorgailu batek iman iraunkor edo elektroiman batek sortutako eremu magnetikoa erabiltzen du. Bobina bat eremu magnetikoan biratzen denean, bobinaren zeharreko fluxu magnetikoa aldatu egiten da, korronte alternoa sortuz.
– Aplikazioak: Korronte alternoko sorgailuak zentral elektriko handietan, haize-errotetan eta sorgailu eramangarrietan erabiltzen dira.
2. Korronte zuzeneko (DC) sorgailua
– Funtzionamendu printzipioa: Korronte zuzeneko sorgailu batek kommutadore bat erabiltzen du bobinan induzitutako korronte alternoa korronte zuzen bihurtzeko. Kommutadorea korrontea norabide bakarrean igarotzea bermatzen duen gailu mekanikoa da.
– Aplikazioak: Korronte zuzeneko sorgailuak bateriak kargatzeko, larrialdietako energia-sistemetarako eta industria-aplikazioetarako erabiltzen dira.
Transformadorea
Transformadorea banaketa-sistema elektriko batean tentsioa aldatzen duen gailu bat da, indukzio elektromagnetikoaren printzipioan oinarrituta. Transformadorea bi bobinaz osatuta dago, bata primarioa eta bestea sekundarioa, burdinazko nukleo baten inguruan bilduta.
– Funtzionamendu printzipioa: Lehen mailako bobinatik igarotzen den korronte elektrikoak bigarren mailako bobinan EMF bat eragiten duen fluxu magnetiko bat sortzen du. Lehen mailako eta bigarren mailako bobinen bira kopurua aldatuz, tentsioa handitu edo txikitu daiteke behar den moduan.
– Aplikazioak: Transformadoreak banaketa elektrikoko sistemetan erabiltzen dira tentsio elektrikoa handitzeko edo txikitzeko, elektrizitatea zentral elektrikoetatik kontsumitzaileetara modu eraginkorrean transmititzeko.
Haririk gabeko kargatzea
Haririk gabeko kargatzea indukzio elektromagnetikoaren printzipioa erabiltzen duen teknologia bat da, kablerik gabe energia transferitzeko.
– Funtzionamendu printzipioa: Haririk gabeko kargatzeak kargatzeko bobinak sortutako eremu magnetikoa erabiltzen du kargatu beharreko gailuari konektatutako hargailu-bobinan EMF bat eragiteko. Eremu magnetiko aldakorrak korronte elektrikoa sortzen du hargailu-bobinan, eta hori gailuaren bateria kargatzeko erabiltzen da.
– Aplikazioak: Haririk gabeko kargatzea gailu elektronikoetan erabiltzen da, hala nola telefonoetan, erloju adimendunetan eta gailu mediko eramangarrietan.
Fenomeno erlazionatuak
1. Korronte Zurrunbilotsuaren Efektua
– Funtzionamendu-printzipioa: Korronte zurrunbilotsuak eremu magnetiko aldakor batek eroale batean eragindako korronteak dira. Korronte zurrunbilotsu hauek eremu magnetiko bat sortzen dute, eta horrek eragin dituen fluxu magnetikoaren aldaketaren aurka egiten du.
– Aplikazioak: Korronte zurrunbilotsua balazta elektromagnetikoetan, metalen detekzioan eta proba ez-suntsitzaileetan erabiltzen da.
2. Magnetorresistentzia
– Funtzionamendu printzipioa: Magnetorresistentzia material baten erresistentzia elektrikoaren aldaketa da, kanpoko eremu magnetiko batek eragindakoa. Fenomeno hau datuak gordetzeko teknologian eta sentsore magnetikoetan erabiltzen da.
– Aplikazioak: Magnetorresistentzia disko gogorretan, abiadura-sentsoreetan eta posizioa neurtzeko sistemetan erabiltzen da.
3. Hall efektua
– Funtzionamendu-printzipioa: Hall efektua eroale bateko korronte elektrikoarekiko perpendikularra den eremu magnetiko batek eroalearen aldean tentsio-diferentzia sortzen duen fenomenoa da. Tentsio horri Hall tentsioa deritzo.
– Aplikazioak: Hall efektua Hall sentsoreetan erabiltzen da eremu magnetikoak, abiadura eta posizioa neurtzeko.
Teknologia Aurreratuen Aplikazioak
Medikuntza Teknologia: MRI (Erresonantzia Magnetikozko Irudia)
MRIa giza gorputzaren barne-egituren irudi zehatzak sortzeko eremu magnetikoak eta irrati-uhinak erabiltzen dituen irudi medikoen teknika bat da.
– Nola funtzionatzen duen: MRIak eremu magnetiko indartsu bat erabiltzen du gorputzeko protoiak orientatzeko. Eremu magnetikoa piztu eta itzaltzen denean, protoi hauek ordenagailu batek hartu eta irudietan prozesatzen dituen seinaleak igortzen dituzte.
– Aplikazioak: Erresonantzia magnetikoa hainbat gaixotasun diagnostikatzeko erabiltzen da, besteak beste, tumoreak, bihotzeko gaixotasunak eta nahasmendu neurologikoak. Erresonantzia magnetikoaren abantaila erradiazio ionizatzailerik erabili gabe irudi oso zehatzak sortzeko duen gaitasuna da.
Motor elektrikoa
Motor elektrikoak Faradayren Legearen aplikazio ohikoenetako bat dira, indukzio elektromagnetikoaren printzipioan oinarritzen dena.
– Funtzionamendu printzipioa: Motor elektrikoek eremu magnetiko batean dagoen bobina batetik korronte elektrikoa igaroaraziz funtzionatzen dute, eta horrela, bobina biratzea eragiten duen indar bat sortuz.
– Aplikazioak: Motor elektrikoak hainbat gailutan erabiltzen dira, etxetresna elektrikoetatik hasi eta industria-makina handietaraino.
Ondorioa
Faradayren indukzio elektromagnetikoaren legea fisikako oinarrizko printzipioa da, eremu magnetiko aldakor batek nola sor dezakeen korronte elektrikoa eroale batean azaltzen duena. Michael Faradayk 1831n aurkitu zuen lege hau teknologia moderno askoren oinarri bihurtu da, besteak beste, sorgailu elektrikoenak, transformadoreenak eta haririk gabeko teknologiak. Faradayren esperimentuek eremu magnetikoen eta korronte elektrikoaren arteko erlazioa frogatu zuten, eta geroago matematikoki indukzio elektromagnetikoaren legea bezala deskribatu zen.
Faradayren Legearen aplikazioak zabalak dira, elektrizitatearen sorkuntza, banaketa, haririk gabeko kargatzea, medikuntza teknologia eta motor elektrikoak bezalako arloak hartzen dituzte barne. Korronte zurrunbilotsuaren efektua, magnetorresistentzia eta Hall efektua bezalako fenomeno erlazionatuek indukzio elektromagnetikoaren eragin orokorra erakusten dute zientzian eta teknologian. Teknologia eta ikerketa aurrera egin ahala, Faradayren Legearen aplikazioak zabaltzen jarraituko dute, etorkizunean berrikuntza sofistikatuago eta eraginkorragoetarako atea irekiz.
