Inducción Electromagnética: Fundamentos, Leyes de Faraday y Lenz, y Flujo Magnético

Ley de Faraday

Michael Faraday experimentó que la fuerza electromotriz inducida (fem) es directamente proporcional a la variación del flujo magnético (ΔΦ) e inversamente proporcional al intervalo de tiempo (Δt) en el que ocurre dicha variación. La fuerza electromotriz inducida (ε) se expresa mediante la siguiente fórmula:

ε = -ΔΦ/Δt

La fuerza electromotriz se mide en Voltios (V). El signo negativo en la fórmula se justifica por la Ley de Lenz. Para un intervalo infinitesimal de tiempo, la fem inducida instantánea será:

ε = -dΦ/dt

La fuerza electromotriz inducida depende, fundamentalmente, de la variación del flujo magnético. El flujo magnético (Φ) depende de la intensidad del campo magnético (B), de la superficie (S) del circuito que lo atraviesa y del ángulo (θ) entre el vector normal a la superficie y el vector campo magnético. Por ello, cuando varíe alguno de estos tres factores, se inducirá una corriente eléctrica. Aplicando la Ley de Ohm (I = ε/R), se puede determinar la intensidad de la corriente inducida, donde R es la resistencia del circuito.

Ley de Lenz

La Ley de Lenz establece que el sentido de la corriente inducida es tal que su campo magnético asociado se opone a la variación del flujo magnético que la produce. Por ejemplo, al acercar un polo de un imán a una espira, el flujo magnético que la atraviesa aumenta. El sentido de la corriente inducida será tal que el campo magnético que esta genera se oponga a dicho incremento de flujo magnético. Con un razonamiento similar, se deduce que el sentido de la corriente se invierte al alejar el imán.

Inducción Electromagnética: Experiencias Clave de Faraday y Henry

Hans Christian Ørsted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor. Michael Faraday, por su parte, logró obtener corriente eléctrica a partir de un campo magnético variable. La inducción electromagnética es el fenómeno de generación de corrientes eléctricas mediante campos magnéticos variables.

Primera Experiencia de Faraday

Para esta experiencia, se considera una bobina (o solenoide), un imán y un galvanómetro.

• Cuando se acerca el imán a la bobina, aparece una corriente inducida mientras el imán está en movimiento.
• El sentido de la corriente inducida es el contrario cuando el imán se aleja de la bobina.
• Si no hay movimiento relativo entre la bobina y el imán, no se induce ninguna corriente eléctrica.

Faraday dedujo que la intensidad de la corriente inducida dependía de la velocidad del imán, de la intensidad del campo magnético y del número de espiras de la bobina.

Segunda Experiencia de Faraday

Se enrollan dos bobinas alrededor de una barra de hierro. La primera bobina se conecta a una batería con un interruptor y la segunda a un galvanómetro.

• Al conectar el interruptor, se induce una corriente eléctrica en la segunda bobina, cuyo sentido es contrario al de la corriente en la primera bobina (en el momento de la conexión).
• Al desconectar el interruptor, se induce una corriente eléctrica en la segunda bobina, de sentido contrario al inducido en la conexión.
• No se induce corriente mientras el interruptor está conectado de forma estable o desconectado.

En resumen, la inducción electromagnética consiste en la aparición de una corriente eléctrica (o fuerza electromotriz) cuando varía el número de líneas de inducción magnética (es decir, el flujo magnético) que atraviesan un circuito. Esto ocurre, por ejemplo, al acercar un imán a una bobina o al conectar/desconectar un interruptor en un circuito cercano, ya que en ambos casos el número de líneas de campo magnético que atraviesan el circuito varía.

Flujo Magnético

Consideremos un campo magnético uniforme B y una superficie plana S. Se define el flujo magnético (Φ) a través de una superficie S como la medida del número de líneas de inducción magnética que atraviesan dicha superficie. Se define el vector superficie S como un vector perpendicular a la superficie y cuyo módulo es el valor del área de la superficie.

El flujo magnético es una magnitud escalar que nos proporciona una idea del número de líneas de campo magnético que atraviesan la superficie y de la inclinación de la superficie respecto al campo. De esta manera, si el campo magnético B es perpendicular a la superficie (es decir, el vector normal a la superficie es paralelo al campo, con un ángulo θ = 0°), el flujo será máximo (Φ = B·S). Por el contrario, si el campo magnético es paralelo a la superficie (es decir, el vector normal a la superficie es perpendicular al campo, con un ángulo θ = 90°), el flujo será nulo (Φ = 0).

La unidad de medida del flujo magnético en el Sistema Internacional es el Weber (Wb), donde 1 Wb = 1 Tesla·metro cuadrado (1 T·m²).