Inducción Electromagnética: Experimentos de Faraday y Henry, Flujo Magnético, Generadores, Transformadores y Campos Electromagnéticos
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Experimentos de Faraday y Henry
El experimento de Oersted demostró que una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético. Muchos científicos intentaron obtener el fenómeno inverso: producir una corriente eléctrica a partir de un campo magnético. Faraday fue el primero en descubrir una corriente eléctrica a partir del magnetismo.
Experiencia de Faraday: movimiento de un imán en el interior de una bobina
Si acercamos el imán a la bobina aparece una corriente inducida durante el movimiento del imán. El sentido de la corriente inducida se invierte si alejamos el imán. Con la bobina y el imán fijos no observamos corriente inducida.
Faraday interpretó que para inducir una corriente eléctrica es necesario variar el número de líneas de inducción magnética que atraviesan el circuito.
Inducción electromagnética: consiste en la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cuando varía el número de líneas de inducción magnética que lo atraviesan.
Experiencia de Henry
Un campo eléctrico variable induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) en un conductor que se mueve perpendicularmente a un campo magnético; aparece una diferencia de potencial entre los extremos del conductor.
Flujo magnético
El flujo magnético se define como el producto escalar de la inducción magnética (B) por el vector superficie. El flujo a través de una superficie es una medida del número de líneas de inducción que la atraviesan:
Φ = B · S · cos α
De la experiencia de Faraday se deduce que la inducción se debe a la variación del flujo magnético a través del circuito.
Ley de Lenz
La regla para determinar el sentido de la corriente inducida se conoce como ley de Lenz: el sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que la produce.
Ley de Faraday
ε = −ΔΦ/Δt
El signo negativo nos indica que la fem inducida se opone a la variación del flujo magnético. La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual a la velocidad con la que varía el flujo magnético a través de dicho circuito, cambiada de signo:
ε = −dΦ/dt
Aplicando la ley de Ohm: I = ε/R
[Dibujo: imán y circuito cerrado]
Generación de corriente alterna
Un generador es cualquier dispositivo que transforma una determinada forma de energía en energía eléctrica. Si el generador produce corriente continua se denomina dinamo; si produce corriente alterna, alternador.
Alternador
[Dibujo: espira]
El alternador consiste en una espira que gira mecánicamente con velocidad angular ω constante dentro de un campo magnético uniforme creado por imanes. Los extremos de la espira están conectados a dos anillos que giran solidarios con ella.
Al girar la espira en el campo magnético, el flujo que la atraviesa varía; se induce una fem en la espira que hace circular una corriente eléctrica por el circuito exterior.
Φ = N·B·S·cos ωt
ε = E₀ sen ωt
Autoinducción e inductancia
Autoinducción
Si variamos la intensidad de corriente en un circuito, varía el flujo que lo atraviesa, lo que produce una variación de la fem inducida por el propio circuito.
Inductancia
Se ha comprobado que el flujo magnético es proporcional a la intensidad de corriente:
Φ = L · I
Su unidad en el Sistema Internacional es el henrio (H). Según la ley de Ampère, para una bobina:
B = μ₀ · N · I / l
Φ = N · μ₀ · N · I · S / l
L = μ₀ · N² · S / l
Transformadores
El experimento de Faraday consta de dos bobinas. Por la primera circula una intensidad de corriente I₁; el campo magnético creado por esta corriente origina un flujo magnético Φ₂ a través de la segunda bobina.
El flujo magnético a través de la segunda bobina es proporcional a la intensidad de corriente de la primera:
Φ₂ = M₁₂ · I₁ Φ₁ = M₂₁ · I₂
Las constantes de proporcionalidad son iguales. Esta constante se conoce como coeficiente de inducción mutua.
Transformadores
Un transformador consta de dos bobinas de hilo arrolladas alrededor de un núcleo común de hierro dulce, aisladas entre sí. La bobina por la que circula la corriente alterna de entrada recibe el nombre de circuito primario, y la otra, circuito secundario.
La corriente alterna que circula por el circuito primario produce un flujo magnético variable que origina una fem inducida alterna en el circuito secundario:
V₁ = −N₁ · dΦ/dt
Relación entre tensiones y número de espiras:
V₂ / V₁ = N₂ / N₁ = I₁ / I₂
[Dibujo: transformador]
Campo eléctrico y ecuaciones de Maxwell
Una corriente eléctrica crea un campo magnético (Oersted, Faraday, Ampère), y un campo magnético variable induce una corriente eléctrica (Faraday).
En 1860, Maxwell unificó la teoría electromagnética. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas viene dada por:
c = 1 / √(ε₀ · μ₀)
Teorema de Gauss
- Para el campo eléctrico: el flujo del campo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada es proporcional a la carga eléctrica interior.
- Para el campo magnético: el flujo magnético a través de cualquier superficie cerrada es cero.
Leyes de Faraday y Ampère-Maxwell
- Faraday: un campo magnético variable genera un campo eléctrico a su alrededor.
- Ampère generalizado por Maxwell: un campo magnético puede ser producido por una corriente eléctrica o por un campo eléctrico variable.