INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Fem Inducida

En 1831 el inglés Michael Faraday y el norteamericano Joseph Henry, casi simultáneamente y trabajando de forma independiente, descubrieron la llamada inducción electromagnética, la generación de corriente eléctrica inducida por un campo magnético variable, base del desarrollo de toda la industria eléctrica actual.

La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento: si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

Fem Inducida

Historia

«Convertir magnetismo en electricidad». Esta simple anotación fue escrita por Michael Faraday en su cuaderno de laboratorio en 1822, un par de años después de que Oersted, Ampère, Laplace, Biot, Savart y otros científicos, describieran cómo producía magnetismo la electricidad. Faraday pensó que si esto era así ¿por qué el magnetismo no podría generar electricidad?

Los esfuerzos de Faraday tardaron en dar resultado. Sin embargo, el 29 de agosto de 1831 anunció el descubrimiento de lo que se denominó inducción electromagnética, es decir la generación de corriente eléctrica inducida por un campo magnético. Faraday, ya sabía que las bobinas (solenoide) por las que se hacía pasar una corriente producían un campo magnético similar al de un imán. En su primera experiencia utilizó dos bobinas independientes, superpuestas pero aisladas la una de la otra, de modo que no contactaran entre sí. Una de las bobinas estaba conectada a una batería la otra estaba conectada a un galvanómetro. Faraday observó que cada vez que conectaba la batería unida a la primera bobina, la aguja del galvanómetro conectada a la otra se movía de forma repentina, lo que indicaba una débil inducción de corriente en ella. Lo mismo ocurría al desconectar la batería. Sin embargo, la aguja no indicaba paso de corriente en la segunda bobina mientras el circuito de la primera permanecía conectado. Faraday pensó que la corriente inducida en la segunda bobina estaba relacionada con la aparición o desaparición del campo magnético 2 de la primera al conectar o desconectar la batería. Para comprobar esto Faraday realizó otra experiencia. Manteniendo conectada la primera bobina acercó y alejó la segunda de la primera, y, al hacerlo, la aguja del galvanómetro volvió a moverse repentinamente. El mismo efecto consiguió moviendo la segunda bobina con respecto a la primera. La confirmación definitiva de sus sospechas aconteció el 17 de octubre de 1831, según consta en su cuaderno de laboratorio. En esta experiencia no utilizó la batería y la primera bobina y se limitó a mover un imán en el interior de la bobina conectada al galvanómetro. La aguja volvía a indicar paso de corriente y Faraday pensó acertadamente que la corriente inducida en la segunda bobina tenía que ver con la variación del campo magnético. Mientras Faraday llegaba en Londres a estas conclusiones, en Nueva York, Joseph Henry había comprobado con algo de antelación cómo el movimiento de un hilo conductor en un campo magnético producía una corriente instantánea y había llegado a las mismas conclusiones que Faraday. Sin embargo, las tareas docentes y administrativas de Henry en la Academia Albany de Nueva York le impidieron tener tiempo suficiente para publicar sus resultados. La inducción electromagnética, ha hecho posible el desarrollo de la Electrónica y la industria eléctrica y del modo de vivir que hoy en día disfrutamos.

Ley de inducción de Faraday

Faraday tuvo la intuición de darse cuenta que el cambio en el flujo, ΦB, de inducción magnética para la bobina de la izquierda y en los otros experimentos realizados era el factor común importante. Este flujo puede ser producido por un imán recto o por una espira de corriente.La ley de la inducción de Faraday dice que la fuerza electromotriz inducida, ε, en un circuito es igual al valor negativo de la rapidez con la cual está cambiando el flujo que atraviesa el circuito.La ecuación que define la ley de inducción de Faraday la podemos expresar como:

El signo menos es una indicación del sentido de la fem inducida. Si la bobina tiene N vueltas, aparece una fem en cada vuelta que se pueden sumar, es el caso de los tiroides y solenoides, en estos casos la fem inducida será:

Podemos resumir diciendo “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es proporcional a la rápidez con la que varía el flujo magnético que lo atraviesa, y directamente proporcional al número de espiras del inducido.”

Ley de Faraday o de Faraday-Henry:

Ley de Lenz

Aunque la ley de Faraday-Henry, a través de su signo negativo, establece una diferencia entre las corrientes inducidas por un aumento del flujo magnético y las que resultan de una disminución de dicha magnitud, no explica este fenómeno:

Una forma de escribir la ley de Lenz en términos de la contribución de la corriente inducida al campo magnético total es la siguiente: el sentido de la corriente inducida es tal que su contribución al campo magnético total se opone a la variación del flujo de campo magnético que produce la corriente inducida.

Así, cuando el polo norte de un imán se aproxima a una espira, la corriente inducida circulará en un sentido tal que la cara enfrentada al polo norte del imán sea también Norte, con lo que ejercerá una acción magnética repulsiva sobre el imán, la cual es preciso vencer para que se siga manteniendo el fenómeno de la inducción. Inversamente, si el polo norte del imán se aleja de la espira, la corriente inducida ha de ser tal que genere un polo Sur que se oponga a la separación de ambos. Sólo manteniendo el movimiento relativo entre espira e imán persistirán las corrientes inducidas, de modo que si se detiene el proceso de acercamiento o de separación cesarían aquéllas y, por tanto, la fuerza magnética entre el imán y la espira desaparecería.

La ley de Lenz, que explica el sentido de las corrientes inducidas, puede ser a su vez explicada por un principio más general, el principio de la conservación de la

El valor de la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varía el flujo magnético a través de la superficie limitada por el mismo, independientemente

de las causas que provoque la variación del flujo.

energía. La producción de una corriente eléctrica requiere un consumo de energía y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone la realización de un trabajo. En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizado en contra de las fuerzas magnéticas que aparecen entre espira e imán el que suministra la energía necesaria para mantener la corriente inducida. Si no hay desplazamiento, el trabajo es nulo, no se transfiere energía al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer. Análogamente, si éstas no se opusieran a la acción magnética del imán, no habría trabajo exterior, ni por tanto cesión de energía al sistema.

Podemos decir que el fenómeno de inducción electromagnética se rige por dos leyes:

La ley de Lenz: cualitativa, que nos da el sentido de la corriente inducida La ley de Faraday-Henry: cuantitativa, que nos da el valor de la corriente inducida.

Fem Inducida en un conductor en movimiento

Consideremos, en primer lugar, un conductor rectilíneo de longitud l, que se mueve a través de un campo magnético uniforme, perpendicular al plano del papel y hacia dentro. Si, por simplicidad, suponemos que el conductor se mueve con una velocidad hacía la derecha, perpendicular a B, las cargas libres del conductor, fundamentalmente electrones, experimentarán una fuerza a lo largo de él definida por:

Por tanto, los electrones se moverán hacia el extremo inferior y se acumularán ahí, dejando una carga neta positiva en el extremo superior. La consecuencia de esto es que se crea un campo eléctrico no conservativo (no electrostático) dentro del conductor, que se opone a que los electrones sigan acumulándose en la parte inferior; es decir, la carga en los extremos va aumentando hasta que la fuerza eléctrica sea igual a la fuerza magnética (recuérdese el efecto Hall analizado en el tema anterior). En este instante, la carga deja de fluir y la condición de equilibrio exige que:

y como los vectores y los hemos tomado perpendiculares, el módulo de será:

La presencia de este campo eléctrico da lugar a una diferencia de potencial (d.d.p.) entre los extremos del conductor, dada por :

Una situación más interesante ocurre cuando el conductor móvil es parte integrante de un circuito, como ocurre si la varilla móvil se deslizara a lo largo de un conductor fijo en forma de U. Las cargas libres del conductor en U se verán sometidas ahora a la acción del campo eléctrico producido por la varilla móvil, con lo que se establece una corriente en el circuito en el sentido en que se mueven las agujas de un reloj. Esto hace que el exceso de carga en los extremos del conductor móvil se reduzca, pero inmediatamente las fuerzas magnéticas hacen que continúe el desplazamiento de los electrones hacia el extremo inferior de la varilla móvil. Por consiguiente, mientras siga moviéndose dicha varilla tendremos corriente en el circuito. El conductor móvil equivale a un generador, o en otras palabras, se dice que en el conductor móvil se ha inducido una f.e.m. de movimiento. De manera más exacta la f.e.m. de un generador se define como el trabajo realizado por la fuerza eléctrica no conservativa al recorrer la unidad de carga todo el circuito. Por tanto, teniendo en cuenta la definición del trabajo que realiza una fuerza para que un sistema se mueva desde un punto inicial A a un punto final B,

podremos escribir la fuerza electromotriz inducida en el circuito como:

=

Teniendo en cuenta que el campo electrostático es conservativo, la única contribución a la anterior integral será debida al campo eléctrico inducido no conservativo que hemos visto en el anterior apartado, es decir:

En definitiva, la fuerza electromotriz inducida es simplemente la circulación del campo eléctrico extendida a todo el contorno definido por el circuito, que coincide, en valor absoluto, con la d.d.p. entre los extremos de la varilla móvil, ya que en la parte inmóvil del circuito no hay inducción.

Como consecuencia, pues, del movimiento de uno de los elementos del circuito en un campo magnético, aparece una corriente eléctrica que lo recorre, caracterizada por una cierta f.e.m. inducida que, a su vez, implica la existencia de un campo eléctrico.

Como vimos en el tema anterior, al aparecer la corriente en el circuito, sobre el conductor móvil aparece una fuerza dada por:

de módulo , que se opone al movimiento y, por tanto, al paso de la

corriente en el circuito . Si se quiere que la corriente siga circulando, hay que vencer la acción de la fuerza magnética; para ello habrá que gastar una energía mecánica que permita que la varilla móvil siga desplazándose con la misma velocidad y mantenga estacionaria la corriente inducida en el circuito. La potencia eléctrica obtenida es, entonces, igual a la potencia mecánica desarrollada:

Fuerzas electromotrices y campos eléctricos

Un campo eléctrico se crea en el conductor como resultado de un flujo magnético variable.

Generadores y Motores

La mayor parte de la energía eléctrica utilizada actualmente se produce mediante generadores eléctricos en forma de corriente alterna (aparatos que transforman energía mecánica en energía eléctrica). Los motores eléctricos transforman de nuevo la energía eléctrica en distintas formas de energía mecánica. Para solucionar los problemas relativos al transporte de esta energía eléctrica a largas distancias se utilizan transformadores. Todos estos aparatos se fundamentan en el fenómeno de la inducción electromagnética.

Generadores

Los generadores son dispositivos que permiten, en las máquinas, la producción de una determinada fuerza o energía. En el caso de un generador eléctrico, lo que éste realiza es una mutación de la energía. Es decir, si se encuentra con energía mecánica – que comprende dos tipos de energía más: la potencial y la cinética, relacionada con el movimiento – el generador eléctrico, como su denominación lo indica, la transforma en energía eléctrica, que siempre se va a suscitar cuando un conductor eléctrico establece una relación entre dos puntos.

Por eso es que los generadores tienen, a su vez, la capacidad de sostener lo que se llama diferencia entre el potencial Un generador establece entre sus polos, es decir, entre sus puntos terminales, una labor de carga de energía positiva que se traslada desde uno de esos puntos hasta el otro. La tarea de los generadores, que es de transformación de la energía, no puede producirse si los conductores eléctricos no reciben el efecto que produce el campo magnético. La diferencia de potencial a la que nos referimos anteriormente solo puede mantenerse constante cuando una fuerza electromotriz surge del movimiento entre ese campo magnético y esos conductores eléctricos. Dentro de la categoría mayor de generador eléctrico, hay una subdivisión de índole primaria y secundaria. El generador primario es el que tiene a su cargo la transformación en energía eléctrica de otra energía, de cualquier índole. La diferencia con el generador secundario, es que el generador primario transforma una energía que o bien tiene desde un comienzo o bien que recibe para su posterior transformación. El generador secundario, en cambio, lo que hace es entregar  la energía eléctrica que recibió anteriormente.

Generadores eléctricos y la obtención de energía

El proceso de generación de energía eléctrica es el de transformación a partir de generadores. Y para que haya una transformación, debe haber una fuente que se tome como base para realizar el cambio. Dicha fuente es toda energía que sea considerada como no eléctrica. En este grupo entran las siguientes energías: térmica, mecánica, luminosa y química, entre otras. Este cambio en la energía se lleva a cabo en inmediaciones apropiadamente denominadas centrales eléctricas, las cuales realizan tan solo los primeros pasos del proceso. Los siguientes se corresponden ya al suministro de la energía que ha sido generada, es decir, todos los pormenores del transporte y la distribución.

En cuanto a esa fuente que se toma para la transformación, se la conoce con el nombre de fuente primaria. La naturaleza de la misma es la que va a condicionar el tipo de central de generadores de energía. Por ejemplo, la central termoeléctrica genera energía eléctrica a partir de energía expulsada en forma de calor por la combustión de gas o petróleo, por mencionar algunos ejemplos. En el caso de la central generadora nuclear, en la misma se ejecuta el proceso de transformación de energía nuclear en energía eléctrica. En las centrales eólicas se utiliza la energía cinética que genera la corriente de aire; en las centrales mareomotrices, la energía que surge de las mareas, etc. Pero a pesar de las diferencias en el rasgo distintivo de la fuente primaria, todas estas centrales que poseen generadores de energía eléctrica tienen en su haber, como dispositivo clave, el elemento generador de energía. El mismo está formado, básicamente, por un alternador. Se trata de una máquina que es la que termina de realizar la transformación de la fuente o energía primaria en energía eléctrica. El proceso que emplea es el de inducción, que produce el voltaje, también llamado fuerza electromotriz.

Motores

En casa tenemos decenas de motores eléctricos: batidoras, maquinillas de afeitar, secadores de pelo, ventiladores, lavadoras. En esencia, el funcionamiento de un motor eléctrico es justa-mente el contrario al del generador eléctrico: convierten la corriente eléctrica en campos magnéticos, los cuales, a su vez, causan un movimiento rotatorio útil.Una espira de corriente en un campo magnético experimenta un par de fuerzas que tiende a hacer girar la espira hasta que su plano sea perpendicular al campo magnético. Si la corriente suministrada a la espira fuera continua, el par de fuerzas cambiaría de sentido al ponerse la espira vertical. La espira oscilaría entorno a esta posición de equilibrio y eventualmente alcanzaría el reposo. Sin embargo, si el sentido de la corriente se invierte justo cuando la espira pasa por la posición

vertical, el par de fuerzas magnéticas no cambia de sentido y continúa haciendo que la espira gire.

La mayoría de los motores son más complejos que el descrito arriba. Lo normal es que un motor incorpore múltiples conjuntos de imanes, o varios electroimanes sincronizados. La variada combinación entre los componentes básicos hace que los motores giren a una velocidad constante, den una alta torsión o volteen poco a poco. Sin embargo, en cada caso, el principio físico es el mismo: la electricidad es transformada en campos magnéticos y éstos causan un movimiento rotatorio útil.

Transformadores eléctricos.

Desde las primeras aplicaciones prácticas de la electricidad se observó que, al transportar la energía eléctrica a largas distancias, se producían transformaciones energéticas no deseadas en los cables conductores, en forma de calor por efecto Joule (recalentamiento de los cables eléctricos a causa de la resistencia que éstos ofrecenal paso de la corriente). La potencia degradada en forma de calor a lo largo de una red de conducción eléctrica es: P = I2·R = I·∆V; por tanto, para minimizar este efecto, tenemos dos opciones:- Disminuir la resistencia R del cable conductor. Se consigue aumentando la sección del mismo, pero ello supone un aumento del coste de la instalación (aumenta la cantidad de metal a utilizar y es mayor el peso que tienen que soportar las líneas de transmisión).- Disminuir la intensidad de la corriente I que circula por el conductor. Esta opción implica, si queremos mantener la potencia eléctrica suministrada, aumentar el voltaje o tensión de la red. Para transportar la energía eléctrica, se eleva el voltaje de los 26.000 V a la salida del generador hasta un máximo de 800.000 V, para volver a bajar la tensión llegados a los lugares de consumo (a 33.000 V para la industria pesada, a 380 V para los talleres, a 220 V para los consumidores domésticos).

El transformador se basa en la inducción mutua de dos bobinas enrolladas al mismo núcleo de hierro laminado3 y aisladas entre sí. La variación temporal de una corriente eléctrica alterna en la bobina primaria (inductora), con N1 espiras, produce un campo magnético variable cuyas líneas de campo actúan sobre la bobina secundaria (inducida), con N2 espiras, creando en ella una corriente eléctrica alterna distinta, mayor (elevador o transformador de alta) o menor (reductor o transformador de baja) en función de la relación entre las espiras.

Corrientes parásitas

Las corrientes de Foucault, o corrientes parásitas o "Eddy Currents", son corrientes que circulan en el interior de conductores como consecuencia de campos magnéticos variables con el tiempo en los mismos. La potencia Joule disipada en los mismos como consecuencia de este efecto varía aproximadamente como el cuadrado de la frecuencia del campo aplicado. Este

efecto se usa por ejemplo en los llamados hornos de inducción, de gran utilidad en la industria que funcionan a altas frecuencias (f ≈ 400 kHz) y con grandes corrientes.Estas corrientes también son la base del funcionamiento de los detectores de metales de los aeropuertos y otros detectores de metales que se usan en las playas, en las exploraciones mineras y por los constructores para detectar caños e hierros en las estructuras de las construcciones. Estas corrientes son asimismo la base del funcionamiento de sistemas de levitación magnética, como los trenes MAGLEV.

Finalmente, las corrientes de Foucault se usan en numerosos ensayos no destructivos que se emplean para inspeccionar la integridad física de piezas metálicas y soldaduras. Estas corrientes tienden a circular por la superficie de los conductores y son muy eficientes en apantallar los campos electromagnéticos variables con el tiempo. Cuando corrientes alternas de altas frecuencias (mayores que algunos KHz) circulan por conductores, las corrientes tienden a circular por la superficie de los mismos, incrementándose esta tendencia al aumentar a frecuencia. Este efecto (efecto piel o "skin"o Kelvin) produce que la resistencia de los conductores aumente notablemente con la frecuencia, de modo que para altas frecuencias a veces resulta ventajoso usar conductores huecos.

Las corrientes de Foucault son las corrientes inducidas en el cuerpo conductor por la variación en el flujo magnético. El resultado es la aparición de una f.e.m. que hace circular una corriente en el material conductor.

El fenómeno de las corrientes de Foucault puede ser estudiado a partir del denominado enfoque magnetostático equivalente. Dicho enfoque consiste en ver al conductor como un medio magnético con una magnetización promedio emergente de la densidad inducida la cual da lugar a la existencia de una susceptibilidad magnética compleja. De esta forma la detección de las corrientes de Foucault se alcanza a través de la medición de la susceptibilidad magnética.Si se coloca un cilindro de alta conductividad, cuya longitud es mucho mayor que el radio, de forma tal que su eje principal sea paralelo a un campo magnético