Fundamentos de la Inducción Electromagnética y las Ecuaciones de Maxwell

La Inducción Electromagnética

Denominamos inducción electromagnética a la producción de corriente eléctrica por la acción de campos magnéticos. Michael Faraday llamó inductor a la bobina cargada o al imán que provocan la aparición de corriente, e inducido a la bobina (circuito) en la que se genera la corriente inducida.

Conclusiones de Faraday

Podemos resumir las conclusiones de Faraday en los siguientes puntos:

• Aparece una corriente inducida cuando el inductor y el inducido se mueven uno con respecto al otro.
• Cuando el movimiento es en un sentido, la aguja del galvanómetro se desplaza en un sentido; si cambiamos la dirección del movimiento, también cambia el sentido del desplazamiento de la aguja.
• La intensidad de la corriente inducida es mayor cuanto más rápido es el movimiento relativo del inductor y el inducido.

Flujo Magnético y Leyes Fundamentales

Se define el flujo magnético a través de una superficie como el número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie. Recordando la definición del producto escalar de dos vectores, podemos escribir el flujo magnético como el producto escalar del vector de campo magnético (B) y el vector de superficie (S).

La inducción electromagnética se rige por dos leyes:

• La ley de Faraday, que permite conocer la magnitud de la fuerza electromotriz inducida.
• La ley de Lenz, que indica el sentido de la corriente inducida. Lenz enunció que el sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que la originó.

Se llama fuerza electromotriz (f.e.m.) a la energía que el generador comunica a la unidad de carga. La ley de Faraday establece que cuando se introduce un conductor cerrado en una zona donde existe un campo magnético, la f.e.m. inducida es igual y de signo contrario a la rapidez con la que varía el flujo magnético en el circuito.

Autoinducción e Inducción Mutua

La autoinducción consiste en la inducción de una corriente sobre el propio circuito que la genera. Para que se produzca, es necesario que varíe con el tiempo la intensidad de corriente que recorre el circuito.

Se produce la inducción mutua cuando dos circuitos suficientemente próximos son capaces de inducir corriente el uno en el otro. Su aplicación más importante son los transformadores.

Síntesis de Maxwell para el Electromagnetismo

El trabajo de James Clerk Maxwell se considera la segunda gran unificación de la física, después de las leyes de la dinámica de Newton. Las cuatro ecuaciones de Maxwell, más la ecuación de la fuerza de Lorentz generalizada, permiten estudiar todo el electromagnetismo.

Primera Ecuación: Ley de Gauss para el Campo Eléctrico

Relaciona el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada con la carga neta que encierra. Una consecuencia de ella es la existencia de cargas eléctricas aisladas que interaccionan en consonancia con la ley de Coulomb.

Segunda Ecuación: Ley de Gauss para el Campo Magnético

Establece que el flujo de un campo magnético a través de una superficie cerrada es siempre cero. Esto se debe a que las líneas de campo magnético son siempre cerradas, lo que implica que no existen los monopolos magnéticos.

Tercera Ecuación: Ley de Faraday-Lenz

Es la ley de Faraday sobre la inducción magnética, donde un campo magnético variable genera un campo eléctrico que puede dar lugar a una corriente eléctrica si hay cargas que se puedan desplazar en un conductor. La variación con respecto al tiempo del flujo magnético que atraviesa una superficie coincide con la circulación del campo eléctrico resultante en torno a la línea que limita esa superficie. Este campo eléctrico inducido no es conservativo.

Cuarta Ecuación: Ley de Ampère-Maxwell

Es la ley de Ampère generalizada para incluir las corrientes de desplazamiento, que se producen cuando tenemos un campo eléctrico que varía con el tiempo sin que existan corrientes de conducción. Se da este caso, por ejemplo, cuando se produce la carga o descarga de un condensador, donde hay una carga que varía con el tiempo pero no una corriente eléctrica de conducción entre sus placas.

Ondas Electromagnéticas: La Conclusión de la Síntesis

Las ondas electromagnéticas son el resultado de la propagación en el espacio de un campo eléctrico y un campo magnético variables con el tiempo, que se generan mutuamente.