OBJETIVOS

Generar fuerza electromotriz utilizando campos magnéticos Comprobar la existencia de la f.e.m. inducida en un circuito eléctrico en el que existe

un flujo magnético variable. Comprobar que el sentido de la f.e.m. inducida depende de la forma como varíe el

flujo magnético.

RESUMEN

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o por movimientos relativos a un campo constante. Distintos factores influyen en la fem que se induce en una bobina, como lo son su número de espiras, su configuración (si tienen un material ferromagnético en su interior) y de su movimiento con respecto al campo magnético. Lo que esta fem inducida trata es oponerse al cambio del flujo magnético.

INTRODUCCIÓNInducción Electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quién lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

El movimiento de un conductor de longitud L situado en un campo magnético B, hace que sobre cada electrón del conductor actúe una fuerza magnética. Dicha fuerza hace que los electrones se desplacen hacia un extremo (dependiendo de la dirección del campo) en donde se acumulan. Como resultado de este movimiento, se obtiene una distribución de cargas que genera un campo eléctrico dirigido a lo largo del conductor.

El movimiento de los electrones continúa hasta que la fuerza magnética se equilibra con la fuerza eléctrica cuando el conductor se desliza sobre otro conductor estacionario, cuya forma es tal que constituyen una trayectoria cerrada. Es así como dentro de los conductores se establece una corriente eléctrica i, llamada corriente eléctrica inducida, cuya dirección en sentido convencional es anti horario.

Como consecuencia de esta corriente, el exceso de cargas en el extremo del conductor se reduce, y el campo eléctrico se debilita y las fuerzas magnéticas producen un nuevo desplazamiento de electrones libres dentro del conductor móvil, desplazamiento de electrones que origina la circulación de la corriente eléctrica i ya mencionada. Esta corriente circula mientras se mantiene en movimiento al conductor.

Ley de Faraday

La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:

Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las

direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha.

La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

James Clerk Maxwell entre 1864 y 1873 realizó la formulación matemática de todas las leyes experimentales del electromagnetismo, sintetizándolas en cuatro ecuaciones, que en el espacio libre, o sea en ausencia de material dieléctrico y magnético, se escriben:

∮ E⃗ . d⃗A=qε0

(Ley deGauss paraelectricidad )

¿¿

∮B . d⃗A=0 (Leyde Gauss para magnetismo )¿

¿

∮ E⃗ . d⃗A=dΦmdt

(Leyde Faraday )

¿¿

∮ B⃗ . d⃗l=μ0 l+μ0 ε0dΦEdt

(Leyde Ampere−Maxwell )

¿¿

DIAMAGNETISMO

En electromagnetismo, el diamagnetismo es una propiedad de los materiales que

consiste en repeler los campos magnéticos. Es lo opuesto a los

materiales ferromagnéticos los cuales son atraídos por los campos magnéticos. El

fenómeno del diamagnetismo fue descubierto por Sebald Justinus Brugmans que observó

en 1778 que el bismuto y el antimonio fueron repelidos por los campos magnéticos. El

término diamagnetismo fue acuñado por Michael Faraday en septiembre de 1845, cuando

se dio cuenta de que todos los materiales responden (ya sea en forma diamagnética

o paramagnética) a un campo magnético aplicado.

MATERIALES DIAMAGNETICOS

Las sustancias son, en su gran mayoría, diamagnéticas, puesto que todos los pares de

electrones con espín opuesto contribuyen débilmente al diamagnetismo, y sólo en los

casos en los que hay electrones desparejados existe una contribución paramagnética (o

más compleja) en sentido contrario.

Algunos ejemplos de materiales diamagnéticos son: el bismuto metálico, el hidrógeno,

el helio y los demás gases nobles, el cloruro de sodio, el cobre, el oro, el silicio,

el germanio, el grafito, el bronce y el azufre. Nótese que no todos los citados tienen

número par de electrones.

El grafito pirolítico, que tiene un diamagnetismo no es especialmente alto, se ha usado

como demostración visual, ya que una capa fina de este material levita (por repulsión)

sobre un campo magnético lo suficientemente intenso (a temperatura ambiente).

Experimentalmente, se verifica que los materiales diamagnéticos tienen:

Una permeabilidad magnética inferior a la unidad.

Una inducción magnética negativa.

Una susceptibilidad magnética negativa, prácticamente independiente de

la temperatura, y generalmente del orden (en unidades cegesimales ) de   

e.m.u./mol, donde M es la masa molecular.

En muchos compuestos de coordinación se obtiene una estimación más exacta utilizando

las tablas de Pascal.

En los materiales diamagnéticos, el flujo magnético disminuye y en los paramagnéticos el

flujo magnético aumenta.

PARAMAGNETISMO

El paramagnetismo es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales)

a alinearse paralelamente a un campo magnético. Si estos momentos magnéticos están

fuertemente acoplados entre sí, el fenómeno será ferromagnetismo o ferrimagnetismo.

Cuando no existe ningún campo magnético externo, estos momentos magnéticos están

orientados al azar. En presencia de un campo magnético externo tienden a alinearse

paralelamente al campo, pero esta alineación está contrarrestada por la tendencia que

tienen los momentos a orientarse aleatoriamente debido al movimiento térmico.

Este alineamiento de los dipolos magnéticos atómicos con un campo externo tiende a

fortalecerlo. Esto se describe por unapermeabilidad magnética superior a la unidad, o, lo

que es lo mismo, una susceptibilidad magnética positiva y muy pequeña.

En el paramagnetismo puro, el campo actúa de forma independiente sobre cada momento

magnético, y no hay interacción entre ellos. En los materiales ferromagnéticos, este

comportamiento también puede observarse, pero sólo por encima de su temperatura de

Curie.

Se denomina materiales paramagnéticos a los materiales o medios cuya permeabilidad

magnética es similar a la del vacío. Estos materiales o medios presentan en una medida

despreciable el fenómeno de ferromagnetismo. En términos físicos, se dice que tiene un

valor aproximadamente igual a 1 para su permeabilidad magnética relativa, cociente de la

permeabilidad del material o medio entre la permeabilidad del vacío.

Los materiales paramagnéticos sufren el mismo tipo de atracción y repulsión que

los imanes normales, cuando están sujetos a un campo magnético. Sin embargo, al retirar

el campo magnético, la entropía destruye el alineamiento magnético, que ya no está

favorecido energéticamente. Es decir, los materiales paramagnéticos son materiales

atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados.

Algunos materiales paramagnéticos son: aire, aluminio, magnesio, titanio y wolframio.

FERROMAGNETISMO

El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento

magnético de todos los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y

sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo.

La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos

magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por

todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.

Los ferromagnetos están divididos en dominios magnéticos, separados por superficies

conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos

magnéticos están alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energía potencial,

pero la formación de dominios está compensada por la ganancia en entropía.

Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios

tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están

orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su

tamaño. Este aumento de tamaño se explica por las características de las paredes de

Bloch, que avanzan en dirección a los dominios cuya dirección de los dipolos no coincide;

dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto

tiempo.

CORRIENTES DE FOUCAULT

La corriente de Foucault (corriente parásita también conocida como "corrientes

torbellino", o eddy currents en inglés) es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico

francés Léon Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor atraviesa un campo

magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación

de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de

Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo

magnético aplicado (ver Ley de Lenz). Cuanto más fuerte sea el campo

magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa

de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores

generados.

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las

variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones

inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas

corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.

Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más

concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética,

en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial. A

su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos

variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas

pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja

conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de acero

eléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante u oxidadas tal que

queden mutuamente aisladas eléctricamente. Los electrones no pueden atravesar la capa

aislante entre los laminados y, por lo tanto, no pueden circular en arcos abiertos. Se

acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso análogo al efecto Hall,

produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su

vez eliminando las corrientes de Foucault. Cuanto más corta sea la distancia entre

laminados adyacentes (por ejemplo, cuanto mayor sea el número de laminados por unidad

de área, perpendicular al campo aplicado), mayor será la eliminación de las corrientes de

Foucault y, por lo tanto, menor el calentamiento del núcleo.

Imágenes

Image1: tensión inducida espiras Image2: tensión inducida alterna

CONCLUSIONES

Por medio de campos magnéticos obtenidos de bobinas energizadas con corriente AC se pudo generar e inducir una fuerza electromotriz sobre espiras con núcleo de hierro o sin núcleo.

En la práctica concluimos que la f.e.m. depende de la variación del campo externo con respecto al tiempo y del tipo de núcleo que se coloque en la bobina.

En el experimento de tensión inducida en función del circuito magnético concluimos que cuando la corriente variaba esta hacia que varíe el campo magnético aumentando la fem.

En el experimento de tensión inducida en función del campo del electroimán concluimos que podemos elevar o reducir la f.e.m. inducida dependiendo del número de espiras en la bobina inductora y en la bobina inducida.

Según la dirección del campo magnético, el sentido de la fem inducida varía

Cuando hay un campo magnético variable al que una bobina está expuesta, lo que se induce es una tensión alterna.

Si se desliza una bobina cerca de otra en la cual circula corriente, una fem es inducida debido al movimiento relativo entre la bobina y el campo magnético generado por la bobina conectada a la fuente.

RECOMENDACIONES

Se requiere tener bien hechas las conexiones antes de encender los equipos.

Tener cuidado con el trato de los equipos y materiales.

BIBLIOGRAFIA

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