La major part dels avenços en el camp de la física de l'electromagnetisme han nascut de l'observació empírica de fenòmens que aparentment no tenien cap explicació. Gràcies als experiments com els que van dur a terme Oersted i Faraday es va poder esbrinar que l'electricitat i el magnetisme eren fenòmens íntimament lligats. Això va fer que multitud de científics teòrics i experimentals centressin les seves energies i esforços en l'estudi d'aquest camp, cosa que va donar naixement a la modelització matemàtica de l'electromagnetisme com una branca de la física.

L'experiència d'Oersted il·lustra l'existència d'un camp magnètic al voltant d'un corrent elèctric. Si apropem una agulla imantada (com la d'una brúixola) a un fil o una espira per on passa corrent, l'agulla es reorientarà i s'alienarà en la direcció del camp magnètic. La figura 13 presenta un muntatge que demostra aquest fet: quan els borns de l'espira de la figura es connectin a una font d'alimentació, l'agulla girarà fins a situar-se perpendicularment a l'espira.

Figura 13. Experiència d'Oersted

L'experiència mostra que si a dins d'un camp magnètic circula un corrent elèctric, sobre aquest corrent es generarà una força magnètica.

Si una partícula carregada amb una càrrega elèctrica +q es mou dins un camp magnètic B a una velocitat v, es genera una força F (vegeu la figura 14 a).

Figura 14. Força sobre una partícula carregada

El mòdul de la força es calcula amb la llei de Lorentz:

Aquí, F és la força generada expressada en N, q és la càrrega expressada en C, v és la velocitat de la partícula expressada en metres per segon, B és el camp magnètic expressat en T i θ és l'angle que formen el vector de camp magnètic i el vector de velocitat (direcció i sentit del moviment de la partícula).

La direcció de la força és perpendicular al pla que formen el camp magnètic i el moviment de la partícula. El sentit de la força es determina mitjançant la regla de la mà esquerra (vegeu la figura 14 b), segons la qual el sentit del camp B s'indica amb el dit índex i el sentit del moviment de la partícula, amb el del mig. La força resultant s'indica amb el polze. Si la càrrega és negativa, la força tindrà sentit contrari.

Un corrent elèctric constitueix una sèrie de càrregues en moviment. Així, un camp magnètic també exercirà una força envers un fil conductor que sigui travessat per un corrent (no cal que el fil estigui en moviment; les càrregues a l'interior ja es mouen). De fet, el camp magnètic exerceix la força sobre les càrregues que hi ha a dins del material, no pas sobre el material en si mateix.

Evidentment, la força que exerceix el camp magnètic tindrà unes característiques o unes altres en funció de la geometria del conductor elèctric i de les característiques del corrent elèctric que el travessa.

Si se situa un conductor rectilini de longitud L pel qual circula un corrent elèctric I dins d'un camp magnètic constant B, es genera una força F, tal com es mostra en la figura 15.

Figura 15. Força sobre un conductor rectilini

El mòdul de la força el determina l'expressió següent:

Aquí, F és la força generada expressada en N, I és el corrent expressat en A, B és el camp magnètic expressat en T, L és la longitud del conductor expressada en metres i θ és l'angle que formen el vector de camp magnètic i el vector de corrent (direcció i sentit del corrent elèctric).

La direcció de la força serà perpendicular al pla que formen el camp magnètic i el conductor.

El sentit de la força es determina mitjançant la regla de la mà esquerra (vegeu la figura 15 b), en què el sentit del camp B s'indica amb el dit índex i el dit del mig es disposa en el sentit del corrent dins el conductor. La força resultant ens la indicarà el dit polze.

Si es col·loca una espira que pugui girar al voltant del seu eix en l'interior d'un camp magnètic, a partir de l'estudi de l'apartat anterior (“La força que es genera sobre un conductor rectilini”) i de l'observació de la figura 16, es comprova que les forces F₂ tenen un valor igual però un sentit contrari i, per tant, s'anul·len, mentre que les forces F₁ i –F₁ generen el moviment circular de l'espira sobre el seu eix.

Figura 16. Força sobre una espira de corrent. El sentit de la força depèn del sentit del corrent elèctric en l'espira.

Aquest fet es fonamental en l'estudi dels motors, ja que es basa en aquest principi de funcionament.

L'expressió per calcular el mòdul de la força és la següent:

Aquí, F és la força generada i expressada en N, I és el corrent expressat en A, B és el camp magnètic expressat en T, S és l'àrea de l'espira expressada en m² i θ és l'angle que formen el vector de camp magnètic i el vector perpendicular a l'espira.

L'ampere (A) és la unitat de corrent elèctric, i és una de les unitats bàsiques del sistema mètric internacional. Això vol dir que no es defineix a partir de la unitat de càrrega, com podria semblar lògic en primera instància. El motiu és que la definició de la unitat de càrrega, el coulomb (C), no es considera prou exacta.

La força electromotriu (FEM), que també es designa amb la lletra grega èpsilon (ε), la lletra E o la lletra grega ksi (ξ), es defineix com tota causa capaç de mantenir una diferència de potencial elèctric entre dos punts. Dit d'una altra manera, és el que, per definició, fan els generadors elèctrics.

Quan un camp magnètic travessa un circuit tancat, s'indueix una força electromotriu en funció de la quantitat de flux magnètic que hi passa per unitat de temps. D'aquesta manera, el flux magnètic queda perfectament relacionat amb la generació de corrent elèctric.

Els experiments que el físic britànic Michael Faraday va portar a terme i el van dur a concloure que hi havia una relació estreta entre el magnetisme i l'electricitat (inducció electromagnètica), es van basar en experiències amb corrents elèctrics i amb imants. Tant en el cas d'un corrent elèctric com en el cas d'un imant, els resultats d'inducció electromagnètica es poden observar mitjançant un amperímetre.

La importància dels experiments de Faraday va ser cabdal per poder generar energia elèctrica. Cal recordar que els generadors actuals es basen majoritàriament en la inducció electromagnètica. És a dir, consisteixen a variar un camp magnètic en l'interior d'un bobinatge a fi de convertir l'energia mecànica en energia elèctrica (vegeu la figura 17).

Figura 17. Generació d'energia elèctrica

Si es connecta un solenoide –una bobina– sense nucli a un amperímetre i es col·loca un imant en l'interior o a l'eix, es pot veure què passa quan una cosa interacciona amb l'altra (vegeu la figura 18).

Figura 18. Primera experiència de Faraday

Quan l'imant està quiet, independentment de la posició, l'amperímetre marca el valor zero. Però quan l'imant es mou longitudinalment al llarg de l'eix de la bobina, hi apareix un corrent elèctric, tal com indica l'amperímetre. Aquest corrent serà més gran com més potent sigui l'imant i com més espires contingui la bobina.

Si es connecta un solenoide –bobina– a una bateria i el nucli ferromagnètic de la bobina es col·loca de manera que passi com a nucli d'una altra bobina elèctricament aïllada, a la qual es connecta un amperímetre (vegeu la figura 19), es pot veure què passa quan s'obre i es tanca l'interruptor del primer circuit.

Quan fa una estona que l'interruptor està tancat o obert, l'amperímetre assenyala el valor zero. Però en el moment de tancar-lo o d'obrir-lo, evidentment es produeix un increment (en tancar el circuit) o un decrement (en obrir-lo) del corrent. Aquestes variacions del corrent fan aparèixer lectures diferents de zero en l'amperímetre de l'altra bobina.

El fet que en la segona bobina, travessada per un flux magnètic, en aquest cas conduït pel nucli ferromagnètic, es generi un corrent elèctric ja està previst per la primera experiència de Faraday. Així, només queda pensar que aquest flux magnètic ha estat induït pel corrent que passa per la primera bobina.

Figura 19. La segona experiència de Faraday

La llei d'inducció magnètica de Faraday estableix que la tensió elèctrica induïda en un circuit tancat és directament proporcional a la velocitat de variació del flux magnètic que travessa l'àrea definida pel circuit.

En el cas particular d'una bobina amb N espires, la tensió elèctrica induïda ve donada pel següent:

Aquí, ε és la tensió electromagnètica induïda en V, N és el nombre d'espires i és la variació temporal del flux magnètic expressada en tesles per segon.

Heinrich Lenz (1804-1865)

Experiments posteriors als de Faraday, portats a terme per Heinrich Lenz, van concloure que per acomplir el principi de la conservació de l'energia, el corrent induït en un circuit per un flux magnètic té un sentit tal que sempre s'oposa al flux que l'està induint, és a dir, que és com si el material conductor presentés una mena d'inèrcia a la conducció induïda.

En definitiva, la inducció magnètica causa una força electromagnètica que força un corrent elèctric. Aquest corrent elèctric, al seu torn, indueix un camp magnètic. Doncs bé, el camp magnètic induït pel corrent s'oposa al camp que inicialment va induir el corrent. Aquest és el motiu pel qual la llei de Faraday, també anomenada llei de Faraday i Lenz, té el signe negatiu:

Léon Foucault

Els corrents de Foucault són uns corrents elèctrics paràsits que apareixen en el material conductor quan es mou en l'interior d'un camp magnètic variable. Aquest corrent fa que el conductor s'escalfi (a causa de l'efecte Joule) i, a més, el corrent induït exerceix una força que frena el moviment del cos conductor.

L'efecte de frenada permet aplicar aquest principi en nombrosos camps:

• Comptadors de consum elèctric
• Tacòmetres
• Sistemes d'assistència de frenada de vehicles pesants
• Sistemes de frenada de carros no motoritzats (com ara vagonetes o muntanyes russes)
• Levitació magnètica

L'autoinducció és un fenomen que consisteix en el fet que un corrent elèctric variable que viatja per un conductor elèctric genera un camp magnètic variable, que al seu torn indueix un corrent addicional en el conductor, i així successivament.

El cas és que, a causa de la la llei de Faraday i Lenz, el corrent induït per camp magnètic té sentit contrari al corrent que va generar el camp magnètic.

En una bobina també es produeix aquest fenomen. El paràmetre que ho regula és la inductància, que també s'anomena coeficient d'autoinducció, es designa amb la lletra L i es mesura en henris (H). El valor de la força electromagnètica (tensió elèctrica) autoinduïda es calcula mitjançant aquesta fórmula:

Aquí, és la variació temporal del corrent elèctric.