Fundamentos y Aplicaciones del Electromagnetismo: Inducción, Foucault y Autoinducción

1. Inducción Electromagnética

1.1. Definición

Producción de electricidad por la acción de un campo magnético (CM). Es decir, cuando un conductor se mueve en el seno de un CM, aparece una fuerza electromotriz (f.e.m.) que se manifiesta como una tensión eléctrica en los extremos del conductor, generando una corriente eléctrica. El fenómeno inverso también se produce.

1.2. Experiencia de Faraday

Demuestra el fenómeno de la inducción electromagnética.

1.3. Ley de Lenz

Determina el sentido de la f.e.m. inducida. Establece que el sentido de la corriente inducida en un conductor tiende a oponerse a la causa que la produjo.

• Regla de Fleming de la mano derecha: Sirve para determinar el sentido de la corriente inducida.

1.4. Aplicaciones de la Inducción Electromagnética

Entre sus aplicaciones se encuentran:

• Alternador
• Transformador
• Identificación Digital (ID)
• Videotelefonía móvil
• Pinza amperimétrica
• Recepción de señales de radio

2. Corrientes Parásitas o de Foucault

Origen y Efectos

Son corrientes eléctricas cerradas sobre sí mismas, originadas por inducción en los conductores macizos cuando varía el flujo magnético que los atraviesa. Aparecen frecuentemente en corriente alterna (C.A.).

Cuando un núcleo de hierro macizo se somete a la acción de un CM variable, se genera una f.e.m. inducida, la cual produce una corriente en el núcleo (corriente parásita). Estas corrientes se cierran, creando cortocircuitos por las secciones transversales del núcleo. Las intensidades son muy altas (debido a la baja resistencia del núcleo), por lo que el núcleo se calienta (efecto Joule) y reduce el rendimiento de las máquinas.

Solución y Aplicaciones

¿Cómo se Soluciona?

Hay que dividir el núcleo longitudinalmente y aislar eléctricamente cada parte, creando un paquete de chapas magnéticas. Cada chapa tendrá menos flujo, por lo tanto, la f.e.m. inducida y las corrientes parásitas se reducen. Las chapas utilizadas son de menos de 1 mm, se aíslan unas de otras con una capa de barniz y llevan silicio para aumentar la resistividad y así reducir pérdidas.

Aplicaciones e Inconvenientes

• Aplicaciones: Horno y cocina de inducción.
• Inconvenientes: Pérdida de energía y calor que producen las corrientes.

3. Autoinducción (Bobinas)

Fenómeno de Autoinducción

Es la capacidad de una bobina de inducirse a sí misma una f.e.m. Cuando una corriente variable pasa por una bobina, genera un CM variable que corta a los conductores de la bobina y genera en ellos una f.e.m. inducida, llamada f.e.m. de autoinducción. Según la Ley de Lenz, esta tiene un sentido tal que siempre se opone a la causa que la produjo.

Comportamiento al Cerrar el Interruptor

Al cerrar el interruptor, aparece una corriente que tiene que aumentar de cero hasta su valor nominal en poco tiempo. Esta variación genera en sus conductores un flujo magnético creciente que, al cortarlos, provoca una f.e.m. de autoinducción. El sentido de la f.e.m. impide que se establezca el flujo, por lo tanto, la intensidad se retrasa. Cuando la intensidad se vuelve a estabilizar, la f.e.m. de autoinducción desaparece y el flujo vuelve a aparecer.

Comportamiento al Abrir el Interruptor

Al abrir el interruptor, el flujo tiende a desaparecer y origina una f.e.m. de autoinducción que no permite que ni el flujo ni la corriente desaparezcan (la f.e.m. cambia de sentido y tiende a sumarse a la tensión de la batería). La tensión que aparece entre los contactos es muy grande, por lo tanto, genera un chispazo de ruptura entre ellos. La f.e.m. de autoinducción aumenta al incrementar la velocidad al abrir el interruptor y cuanto mejor sea la capacidad de la bobina para generar el flujo.

3.1. Coeficiente de Autoinducción de una Bobina

Marca la capacidad que tiene una bobina de generarse a sí misma f.e.m. de autoinducción.

Se define mediante la relación: e = L x (ΔI/Δt)

También depende del número de espiras y la relación entre el flujo que genera y la intensidad de corriente: L = N x (Φ/I)

4. Fuerza sobre una Corriente Eléctrica en el Seno de un Campo Magnético

Los generadores funcionan cuando se genera una f.e.m./corriente al mover conductores en el interior de un CM. En los motores ocurre lo contrario: cuando un conductor está en el interior de un CM y por él circula una corriente, aparecen unas fuerzas que tienden a su desplazamiento.

Ley de Ampère y Aplicaciones

La Ley de Ampère demuestra la fuerza que se crea en un conductor por el que circula una intensidad y que está sometido a la acción de un CM. La corriente del conductor crea un CM circular que interactúa con el campo creado por el imán y hace que el conductor se desplace en dirección perpendicular al CM.

• Regla de Fleming de la mano izquierda: Se aplica para saber el sentido de la fuerza.
• Aplicaciones: Motores de Corriente Continua (CC) y aparatos de medida.

La magnitud de la fuerza se calcula como: F = L x B x I

5. Par de Fuerza sobre una Espira Plana en un Campo Magnético

Al aplicar la Ley de Ampère en una espira, se produce un par de fuerzas sobre el cable superior e inferior que ejercen un momento de giro sobre la espira.

• Sentido del giro: Se determina con la regla de la mano derecha.