¿Qué fuerza provoca la FEM inducida de una espira? Y, ¿la diferencia entre un CEM de lazo a un CEM de movimiento?

Question

Si un bucle de alambre se coloca perpendicularmente a un campo magnético cambiante, hay un EMF inducido tal que la corriente inducida está fluyendo en una dirección para crear un campo magnético opuesto como este diagrama simple:

Mientras que una varilla (o alambre) que se mueve en un campo magnético uniforme experimenta una fuerza magnética que empuja las cargas positivas hacia arriba para crear un EMF como el de este diagrama:

Preguntas:

1) La varilla tiene una fuerza magnética debido a su movimiento en $B$ para un campo magnético cambiante perpendicular a una espira (como el primer diagrama), ¿existe también una fuerza magnética que crea el CEM inducido? Si no es así, ¿cuál es la fuerza o fuerzas que causan el CEM inducido?

2) Para el CEM móvil de una varilla, al aumentar la velocidad ¿cómo aumenta el CEM inducido? La expresión $\epsilon = -vBL$ es sencillo, pero imaginarlo es confuso. ¿Por tener más cargas? ¿Por un campo E más fuerte?

3) Si la varilla se mueve en un campo magnético no uniforme, ¿se considera un campo B variable? ¿Es válida la fórmula del EMF móvil? Mi planteamiento es calcular $B$ en ciertos puntos de $x$ y utilizar la fórmula. ¿Es esto válido?

4) Esto está relacionado con la primera pregunta, para este diagrama:

Un bucle que se mueve de forma uniforme $B$ tiene un EMF inducido = 0, porque los EMF de cada lado del cable se cancelan así:

Además están en serie, para mí es más fácil imaginar esos cables como fuentes de baterías todas de igual potencial opuestas entre sí. ¿Por qué no es esto similar al primer diagrama de una variación $B_{\bot} $ ? El bucle rectangular que se mueve en un campo magnético tiene un CEM cero, mientras que un bucle en un campo magnético cambiante tiene un CEM distinto de cero, ¿por qué no se anulan los lados?

EDIT: Preguntas adicionales a la respuesta

5) Del primer diagrama (de la espira circular) entiendo que el campo magnético se opone en la zona central, ¿qué pasa con la zona exterior? El área circundante parece tener un campo magnético aumentado mientras que el centro se reduce. ¿Por qué en el electromagnetismo el área encerrada por la espira es el principal foco de atención mientras que el área exterior (o circundante) a la espira es irrelevante? Porque está aumentada.

6) Para un cable singular, ¿cómo puedo definir la dirección de la corriente inducida debida al campo eléctrico no conservativo que se crea a partir de una variación de $B$ ? Estoy acostumbrado a un bucle que es fácil de imaginar el rizo, sin embargo, para un cable recto estacionario es un poco confuso, diagrama:

Por la ley de Lenz y la de Faraday sé que el flujo de corriente debe fluir en una dirección que se oponga a $\Delta B$ en el lado derecho (RHS) del cable, pero no estoy tan seguro...

7) Si tenemos un hilo conductor singular acercándose a un campo magnético ¿es posible que inicialmente(o en cualquier instante de tiempo) haya un $E$ campo magnético, entonces a medida que el alambre se mueve en el campo magnético hay un $E_s$ campo? Diagrama:

Antes de que el cable entre en el campo magnético, el $\Delta \Phi$ = $0$ pero en el momento( $t$ ) y posición( $x$ ) cuando el alambre comienza a entrar en el campo magnético se produce un cambio tanto en el área como en el campo magnético.El campo pasó de $0$ a $B$ por lo que induce a un no conservador $ E$ campo? ¿Es posible tener tanto un campo E inducido electrostáticamente como un campo E no conservativo( $E_s$ & $E$ )

8) Para este último caso, en el que hay un cable estacionario colocado en el centro de un $\Delta B$ así:

No es posible tener un $E$ campo magnético? No puedo imaginar una forma en la que este cable pueda oponerse al campo magnético (suponiendo que esté conectado a un circuito para el flujo de corriente, y para todo lo demás).

Answer 1

1) El caso de un conductor móvil y un conductor estacionario es fundamentalmente diferente. Cuando el conductor está inmóvil, un campo magnético cambiante produce un campo eléctrico en todo el espacio, cuyo rizo a lo largo de cualquier espira que encierre el campo magnético variable es distinto de cero, dado por Curl(E) = -dB/dt. Utilizando la ley de Stokes, encontramos fácilmente que la emf es la tasa de cambio del flujo a través de la espira. NOTA: el campo eléctrico producido en el espacio es la causa de la emf (en este caso) y no de ninguna fuerza.

2)La emf a través de un conductor de extremo abierto(supongamos que los extremos son A y B) se debe SOLO al campo electrostático conservativo producido por las cargas separadas, debido a la fuerza magnética, dada por la integral del campo electrostático sobre la longitud del conductor para A a B : ϵ=-∫Es.dl〗. A medida que el conductor se acelera, debido a la mayor fuerza magnética, se deposita una mayor carga en los extremos, lo que resulta en una mayor magnitud del campo electrostático (Es) a través del conductor, que a su vez aumenta su integral sobre la longitud (¡que es la emf, por supuesto!).

3) De nuevo, para un conductor abierto, tomamos el campo electrostático, que es qvB/q = vB. Sustituyendo en la fórmula e integrando, ϵ = -vBL. Por tanto, la fórmula sigue siendo válida.

4) Vuelves a confundir el campo eléctrico no conservativo E con el campo electrostático conservativo (Es). Cuando el circuito está cerrado, la emf: ϵ = ∮E.dl , donde E es el campo total (tanto el eléctrico como el electrostático en toda la espira). La parte electrostática es obviamente cero en toda la espira,(porque es conservadora), pero el campo eléctrico viene dado por la Ecuación de Maxwell: curl(E) =- dB/dt. Para B constante, curl(E) = cero, lo que a partir de la ley de Stokes sugiere que su integral alrededor de la espira es también cero, produciendo una emf nula. Para un campo magnético B variable, la integral del campo electrostático se desvanece de todos modos, pero curl(E) no es cero, lo que hace que la emf no sea cero en la integral. No introduzcas el campo electrostático en la emf en un circuito cerrado. Te confundirás.