Fundamentos de la Inducción Electromagnética y Teoría de Ondas

Inducción Electromagnética: Leyes de Faraday y Lenz

La inducción electromagnética es la producción de electricidad mediante magnetismo en determinadas condiciones. Los primeros científicos que la estudiaron fueron Faraday y Henry, quienes observaron que en un circuito se genera una corriente eléctrica en las siguientes circunstancias:

• Si se acerca un imán al circuito, o se aleja del mismo. O bien el circuito se mueve con respecto al imán.
• Si hay un movimiento relativo entre el circuito y otro circuito por el que circule una corriente continua.
• Si el segundo circuito transporta una corriente variable, aunque ambos estén en reposo.
• Si se deforma el circuito en el seno de un campo magnético.

La Ley de Faraday

Todos los hechos anteriores pueden explicarse mediante la Ley de Faraday, que dice que la variación temporal del flujo del campo magnético a través de un circuito genera en él una fuerza electromotriz (f.e.m.):

f.e.m. = −dΦ / dt

La f.e.m. es el trabajo por unidad de carga que se realiza en el circuito. Se mide en Voltios en el Sistema Internacional (SI). El flujo varía si cambia el campo magnético, la forma del circuito, o la orientación entre el campo y el circuito. En estos casos habrá corrientes inducidas.

La Ley de Lenz

El signo negativo en la Ley de Faraday indica el sentido en que circula la corriente inducida. Esto se expresa en un principio físico conocido como Ley de Lenz: la f.e.m. inducida origina una corriente cuyo campo magnético se opone a la variación del flujo magnético que la origina.

Una de las aplicaciones del principio de inducción electromagnética es en la generación de corriente eléctrica por transformación de trabajo mecánico en electricidad.

Principio de Huygens

Se trata de un mecanismo sencillo para la construcción de frentes de ondas a partir de frentes en instantes anteriores. Un frente de ondas es cada una de las superficies que pasan por los puntos donde una onda oscila con la misma fase. El principio dice que:

Los puntos situados en un frente de ondas se convierten en fuentes de ondas secundarias, cuya envolvente constituye un nuevo frente de ondas primario.

La forma de aplicarlo es la siguiente: se trazan pequeños semicírculos de igual radio con centros en diferentes puntos de un frente de ondas, y luego se traza la envolvente de los semicírculos, la cual constituye el nuevo frente de ondas.

La figura muestra un ejemplo de aplicación a un frente de ondas esférico y otro ejemplo para explicar la difracción de un frente de ondas plano producida por un obstáculo. Una consecuencia del Principio de Huygens es que todos los rayos tardan el mismo tiempo entre dos frentes de onda consecutivos. Los rayos son líneas perpendiculares a los frentes de onda que indican la dirección de propagación de la onda.

Aunque Huygens lo formuló para las ondas materiales, que eran las únicas conocidas en su época, su principio es válido para todo tipo de ondas. Kirchhoff extendió el método a las ondas electromagnéticas, una vez que fueron descubiertas.

Ondas Electromagnéticas

A mediados del siglo XIX, el físico escocés James C. Maxwell propuso un conjunto de ecuaciones que explicaban todos los fenómenos eléctricos y magnéticos conocidos, y además predecían las ondas electromagnéticas (OEM) cuya existencia fue verificada después por Hertz de forma experimental. La teoría de Maxwell también demostró que la luz es una onda electromagnética y unificó así la óptica con el electromagnetismo.

Las OEM son una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, y automantenidos, que se propagan a través del espacio transportando energía. Sus principales características son:

• Pueden viajar en el vacío.
• Se propagan a la velocidad de la luz (en el vacío: c = 3·10⁸ m/s).
• Son ondas transversales: los campos eléctrico y magnético son perpendiculares, y son a su vez perpendiculares a la dirección de propagación.
• Pueden expresarse como ondas armónicas con doble periodicidad espacial y temporal.

Las OEM de mayor frecuencia (menor longitud de onda) son las más perjudiciales para los tejidos vivos, aunque se utilizan en medicina de forma controlada en el diagnóstico (radiografías) y tratamiento de enfermedades (radioterapia). En el caso de la luz visible, la frecuencia determina los distintos colores que vemos. Las OEM que emiten los cuerpos celestes nos permiten conocer el universo. Desde el punto de vista tecnológico, las OEM son la base de las telecomunicaciones inalámbricas.