INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Es recomendable que el estudiante conozca los conceptos básicos como: flujo magnético e inductancia magnética, ya que Faraday se baso en esos conceptos.

Antes definir la Ley de inducción de Faraday es importante recordar que existen dos formas en las que se relacionan la electricidad y el magnetismo:

1)      Una corriente eléctrica produce un campo magnético

2)      Un campo magnético ejerce una fuerza sobre una corriente eléctrica o carga eléctrica en movimiento. Estos descubrimientos se realizaron entre los años 1820 y 1821 a partir de entonces los científicos comenzaron a preguntarse: ¿si la corriente eléctrica produce un campo magnético?, ¿es posible que un campo magnético produzca una corriente eléctrica? Diez años después, el Estadounidense Joseph Henry (1797-1878) y el ingles Michael Faraday (1791-1867) encontraron cada uno por su cuenta, que esto era posible.

En realidad Henry hizo el descubrimiento primero, pero Faraday público sus resultados antes e investigó el tema con más detalle.

Faraday investigo y demostró que mientras más rápido cambien el flujo magnético mayor es la fem inducida. También encontró que la fem inducida depende del área de la espira del circuito.

El flujo magnético para un campo magnético uniforme se define:

 

Aquí B⊥ es la componente del campo magnético perpendicular a la cara de la espira, y u es el ángulo entre y el vector (que representa al área), cuya dirección es perpendicular a la cara de la espira. Estas cantidades se muestran en la figura para una espira cuadrada de lado cuya área es A. Si el área tiene alguna otra forma, o si no es uniforme, el flujo magnético se puede expresar:

 

Las líneas de flujo magnético se pueden dibujar de tal modo que el numero de líneas por unidades de área se ha proporcional a la intensidad de campo. Así el flujo que se puede considerar como el número de líneas que pasan a través del área encerrada por una espira como se ilustra en la figura.

Ley de Inducción de Faraday: es el voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del número de espiras de la bobina por la rapidez de variación del campo magnético dentro de dichas espiras.

Si el circuito contiene N espiras muy apretadas, de manera que el mismo flujo pasa a través de cada una, se suman las fem inducidas en cada espira y se obtiene la fem inducida total.

La fem inducida puede ser realizada de tres formas.

La magnitud de B cambia con el tiempo.

•          El área encerrada por la espira cambia con el tiempo.
•          El ángulo u existente entre BS y la normal a la espira puede cambiar con el tiempo.
•         Cualquier combinación puede presentarse de lo anterior.

Por otra parte Lenz se baso en el experimento de Faraday para demostrar que: el flujo del campo magnético de la corriente inducida se opone al cambio del flujo magnético que lo indujo. Por lo que las líneas de flujo magnético en la espira son contrarias a la que lo indujo.

Unos de los experimentos de Faraday fue:

En su intento por generar una corriente eléctrica a partir de un campo magnético, Faraday utilizó un aparato como el que se ilustra en la figura, conectó una bobina de alambre, X, a una batería. La corriente que fluyó a través de X produjo un campo magnético que se intensificó mediante el núcleo de hierro con forma de anillo alrededor del cual se enrolló el alambre. Faraday esperaba que una fuerte corriente estable en X produjera un campo magnético suficientemente grande como para producir una corriente en una segunda bobina Y enrollada sobre el mismo anillo de hierro.

Este segundo circuito Y, contenía un galvanómetro para detectar cualquier corriente, pero no incluía batería. No tuvo éxito con corrientes constantes. Pero el efecto buscado se observó finalmente cuando Faraday notó que la aguja del galvanómetro en el circuito Y se movía notablemente en el momento en que cerraba el interruptor en el circuito X. Y la aguja del galvanómetro se movía notoriamente en la dirección opuesta cuando abría el interruptor en X. Una corriente constante en X producía un campo magnético constante que no producía corriente en Y. En Y se producía una corriente sólo cuando la corriente en X iniciaba o se detenía. Faraday concluyó que, aunque un campo magnético constante no produce corriente en un conductor, un campo magnético variable puede generar una corriente eléctrica. Tal corriente se llama corriente inducida. Cuando cambia el campo magnético a través de la bobina Y, se induce en ella una corriente como si estuviera conectada a una fuente de fem. Así, se dice que: Un campo magnético variable induce una fem.

Faraday realizó más experimentos acerca de la inducción electromagnética, como se llamó a este fenómeno. Por ejemplo, la figura muestra que, si un imán se mueve rápidamente hacia el interior de una bobina de alambre, en éste se induce una corriente. Si el imán se retira rápidamente, se induce una corriente en la dirección opuesta (disminuye a través de la bobina). Más aún, si el imán se mantiene estable y la bobina de alambre se mueve hacia o desde el imán, de nuevo se induce una fem y fluye una corriente. Se requiere movimiento o cambio para inducir una fem. No importa si el imán o la bobina se mueven. Es su movimiento relativo el que cuenta.

Fem de movimiento: en la figura se presenta otra forma de inducir una fem, y esta situación ayuda a revelar la naturaleza de la fem inducida. Suponga que un campo B magnético uniforme es perpendicular al área acotada por el conductor con forma de U y la varilla móvil que descansa sobre él. Si se hace mover la varilla con una rapidez v, recorre una distancia dx = v dt en un tiempo dt. Por lo tanto, el área de la espira aumenta por una cantidad dA= l dx =lvdt en un tiempo dt.  Por la ley de Faraday, existe una fem inducida cuya magnitud está dada por:

        a) Una varilla conductora se desplaza hacia la derecha sobre un conductor con forma de U en un campo magnético Uniforme B  que apunta hacia fuera de la página. La corriente inducida está en sentido horario

                    

Las ecuaciones válidas en tanto B, l y v sean perpendiculares entre sí. (Si no lo son, sólo se usan los componentes de cada uno que sean perpendiculares entre sí). A una fem inducida en un conductor que se mueve en un campo magnético a veces se le llama fem de movimiento.

Corrientes parásitas: Consideremos dos péndulos, cada uno con una placa de metal conductora no magnética en el extremo, que está diseñada para pasar por el espacio entre dos imanes permanentes intensos como lo muestra la figura 5. Una placa de metal es sólida y la otra tiene ranuras. Los péndulos se llevan a un lado y se sueltan. El péndulo con la placa metálica sólida se detiene en el espacio entre los imanes, mientras el péndulo con las ranuras pasa por el campo magnético, aminorando sólo ligeramente su velocidad. Esta demostración ilustra el muy importante fenómeno de las corrientes transitorias inducidas. A medida que el péndulo con la placa metálica sólida penetra en el campo magnético entre los imanes, la ley de Lenz establece que el flujo magnético variable induce corrientes que tienden a oponerse al cambio en el flujo. Estas corrientes producen campos magnéticos inducidos que se oponen al campo externo que originó las corrientes. Estos campos magnéticos inducidos interactúan con el campo magnético externo (por medio de sus gradientes espaciales) para detener el péndulo. Corrientes inducidas más grandes producen campos magnéticos inducidos más grandes y, por lo tanto, ocurre una desaceleración más rápida del péndulo. En la placa con ranuras, las corrientes transitorias inducidas son interrumpidas por las ranuras, y la placa con ranuras pasa por el campo magnético, deteniéndose sólo un poco. Las corrientes transitorias  se arremolinan como las ondas que se ven en el flujo de aguas turbulentas.

¿Dónde se va la energía contenida en el movimiento del péndulo con la placa sólida en la figura? En otras palabras, ¿cómo las corrientes transitorias detienen el péndulo? La respuesta es que las corrientes transitorias dispersan calor en el metal debido a su resistencia finita Mientras más intensas sean las corrientes transitorias inducidas, más rápido la energía es convertida por el péndulo en calor. Ésta es la razón por la cual la placa con ranuras, con corrientes transitorias inducidas mucho más pequeñas, sólo desacelera ligeramente cuando pasa por el espacio entre los imanes (aunque la desaceleración termina en algún momento). Las corrientes transitorias a menudo son indeseables, lo cual obliga a los equipos de diseñadores a minimizarlas por segmentación o laminación de dispositivos eléctricos que deben operar en un entorno de campos magnéticos variables. No obstante, las corrientes transitorias también pueden ser útiles y se emplean en ciertas aplicaciones prácticas, como el sistema de frenado de vagones de trenes. Unos de los ejemplos de la aplicación de las corrientes parásitas son:

En la figura se muestra un esquema de un detector de metales en un aeropuerto. Una bobina transmisora y una receptora se colocan en lados opuestos de una puerta de entrada. La persona o el objeto a revisar pasa por la puerta entre las dos bobinas. Suponga que la corriente en la bobina transmisora circula en la dirección que se describe y es creciente. Una corriente se induce en la placa de metal en dirección opuesta, que tiende a oponerse incremento en la corriente en la bobina transmisora. La corriente creciente en la placa de metal induce una corriente en la bobina receptora, que es en dirección opuesta y tiende a oponerse al incremento en la corriente en la placa de metal (no aparece en la figura). Así, la placa de metal induce una corriente en la bobina receptora que circula en la misma dirección que la corriente en la bobina transmisora. Sin la placa de metal, la corriente creciente en la bobina transmisora induce una corriente en dirección opuesta a esta bobina, que tiende a oponerse al incremento en la corriente en la bobina transmisora (como ilustra el diagrama). Por esto, el efecto global en el detector de metales es disminuir la corriente observada en la bobina transmisora. El objeto de metal no tiene que ser una placa plana; cualquier pieza de metal en el supuesto de que sea suficientemente grande, tiene una corriente inducida en ella que puede detectarse al medir la corriente inducida en la bobina receptora.