Corriente de Foucault

A medida que la placa metálica circular se mueve a través deuna pequeña región de campo magnético constante entrante ala imagen, las corrientes de Foucault son inducidas en ésta. Ladirección de esas corrientes está determinada por la Ley de Lenz

La corriente de Foucault (corriente parásita también co-nocida como “corrientes torbellino”, o eddy currents eninglés) es un fenómeno eléctrico descubierto por el fí-sico francés Léon Foucault en 1851. Se produce cuan-do un conductor atraviesa un campo magnético varia-ble, o viceversa. El movimiento relativo causa una cir-culación de electrones, o corriente inducida dentro delconductor. Estas corrientes circulares de Foucault creanelectroimanes con campos magnéticos que se oponen alefecto del campo magnético aplicado (ver Ley de Lenz).Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, omayor la conductividad del conductor, o mayor la veloci-dad relativa de movimiento, mayores serán las corrientesde Foucault y los campos opositores generados.En los núcleos de bobinas y transformadores se generantensiones inducidas debido a las variaciones de flujo mag-nético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensionesinducidas son causa de que se produzcan corrientes pará-sitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), queno son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía através del efecto Joule. Más concretamente, dichas co-rrientes transforman formas útiles de energía, como lacinética, en calor no deseado, por lo que generalmentees un efecto inútil, cuando no perjudicial. A su vez dis-minuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usancampos magnéticos variables, como los transformadores

de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pér-didas son minimizadas utilizando núcleos con materialesmagnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (co-mo por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas deacero eléctrico, apiladas pero separadas entre sí medianteun barniz aislante u oxidadas tal que queden mutuamenteaisladas eléctricamente. Los electrones no pueden atra-vesar la capa aislante entre los laminados y, por lo tanto,no pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargasen los extremos del laminado, en un proceso análogo alefecto Hall, produciendo campos eléctricos que se opo-nen a una mayor acumulación de cargas y a su vez elimi-nando las corrientes de Foucault. Cuanto más corta sea ladistancia entre laminados adyacentes (por ejemplo, cuan-to mayor sea el número de laminados por unidad de área,perpendicular al campo aplicado), mayor será la elimina-ción de las corrientes de Foucault y, por lo tanto, menorel calentamiento del núcleo.

1 Orígenes de las corrientes deFoucault

Si hacemos oscilar un péndulo constituido por una placade cobre entre los polos de un electroimán, se observaráque se va frenando hasta pararse por completo, produ-ciéndose este efecto más rápidamente cuanto mayor seala intensidad del campo. Al tratarse de una placa de co-bre, material no magnético, el frenado del péndulo no esdebido a la atracción de los polos del imán.Lo que sucede es que en la placa, al cortar el flujo en-tre las piezas polares, se induce una fuerza electromotriz,según predice la ley de Lenz. Como el cobre es un buenconductor y la placa ofrece una gran sección al paso dela corriente, su resistencia óhmica es pequeña y las co-rrientes inducidas intensas. Estas corrientes se oponen ala acción del origen que las produce, esto es, la propiaoscilación del péndulo, por tanto, actúan de freno.La energía cinética del péndulo en movimiento, por elprincipio conservación, se transforma en calor por elefecto Joule.Otros ejemplos claros donde aparecen este tipo de co-rrientes inductoras lo podemos observar en la mayoría demaquinaria eléctrica, dinamos, motores de corriente con-tinua, alternadores, transformadores y en cualquier má-quina donde exista un flujo de inducción.En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya

1

2 2 APLICACIONES

que representan una inútil disipación de energía en formade calor.

2 Aplicaciones

2.1 Eléctricas

Contador por corriente de Foucault

Las corrientes de Foucault son usadas para aumentar elefecto en convertidores de movimiento a electricidad co-mo en los generadores eléctricos y los micrófonos diná-micos. También pueden ser usados para inducir un campomagnético en latas de aluminio, lo que permiten que és-tas sean fácilmente separables de otros elementos recicla-bles. Los superconductores permiten una conducción per-fecta, sin pérdidas, que crean corrientes de Foucault igua-les y opuestas al campo magnético externo, permitiendode esta manera la levitación magnética. Por la misma ra-zón, los campos magnéticos dentro de un medio super-conductor serán exactamente cero, independientementedel campo externo aplicado.Una de las aplicaciones prácticas de las corrientes de Fou-cault es la utilizada en los medidores de consumo eléc-trico, donde el disco corta líneas de fuerza, al girar, ac-cionado por el campo de un imán. Las corrientes, quese producen en el disco, generan una fuerza opuesta a laque acciona. Este frenado de corrientes de Foucault per-mite calibrar los contadores, modificando la posición delimán. Este mismo dispositivo sirve para el ajuste de finde velocidad de los gira discos y el amortiguamiento delos instrumentos de medida.

Algunos tacómetros tienen un imán que gira a la velo-cidad que se trate de medir frente a un disco metálicomóvil. Las acciones electromagnéticas, debidas a las co-rrientes de Foucault, lo accionan en sentido de rotacióndel imán. Gracias a un muelle de retorno, se consigue in-movilizar el disco en una posición de equilibrio, que esfunción de la velocidad del imán.Las corrientes de Foucault se emplean aún en ensayos nodestructivos para detectar discontinuidades superficiales ymedir conductividad eléctrica en metales no magnéticos.

2.2 Mecánicas

Las corrientes de Foucault son usadas para frenar al fi-nal de algunas montañas rusas. Este mecanismo no tieneningún desgaste mecánico y produce una precisa fuerzade frenado. Típicamente, pesadas placas de cobre exten-diéndose desde el carro son movidas entre pares de ima-nes permanentes muy potentes. La resistencia eléctricaentre las placas genera un efecto de arrastre análogo a lafricción, que disipa la energía cinética del carro.

2.2.1 Efecto de frenado

Aunque la pérdida de energía útil resulta casi siempreindeseable, a veces tiene algunas aplicaciones prácticas.Una de ellas es en algunos trenes y vehículos pesados,como autocares y camiones, cuyos frenos se actúan a ba-se de inducir corrientes de Foucault (eddy current bra-ke). Durante el frenado, las llantas de metal en las ruedasestán expuestas al campo magnético de un electroimán,que genera corrientes de Foucault en los núcleos y llan-tas de las ruedas. Las corrientes de Foucault encuentranresistencia mientras circulan a través del metal, y disipanenergía en forma de calor, haciendo que las ruedas dismi-nuyan su velocidad. Cuanto más rápido giren las ruedas,más fuerte será el efecto, resultando que a medida que eltren disminuye su velocidad, también lo hará la fuerza defrenado, consiguiéndose un frenado suave proporcional ala velocidad de las ruedas.Si colocamos un disco de aluminio, que gira de forma li-bre, frente a un imán, el campo magnético producido porel imán reduce sensiblemente la velocidad de rotación deldisco, es decir, produce un par de frenado proporcionala la velocidad del disco. Este efecto de frenado es tam-bién debido a las corrientes de Foucault, y se aplica ennumerosos aparatos de medida, como por ejemplo, en losvatihorímetros o contadores de energía eléctrica. Hay quepuntualizar que esta acción de frenado sólo se manifies-ta en planos perpendiculares a las líneas de inducción, yaque los circuitos abrazan la mayor parte del flujo, expe-rimentando el máximo efecto de las variaciones cuandoestá de forma perpendicular.

3.1 Pérdidas de energía 3

3 Efectos colaterales

Las corrientes de Foucault son la causa principal delefecto pelicular en conductores que transportan corrientealterna.

3.1 Pérdidas de energía

Las corrientes de Foucault, como ya se ha comentado,tienen por efecto transformar parte de la energía en calor.Dicho calor producido en la masa metálica sólo se utilizaen los hornos eléctricos de alta frecuencia, por lo que, engeneral, supone una pérdida de energía. Para el estudio deestas pérdidas, consideraremos a una chapa de longitud b, anchura x y grosor a , sometida un campo variable devalor:

B = Bm sinwt

donde ω es la pulsación y B la inducción máxima.En esta circunstancia el flujo a través de la superficie dedicha espira es:

Φ = BS

Donde S es la superficie que atraviesa el flujo, cuyo valores

S = 2bx

Por lo tanto es posible escribir la ecuación anterior en laforma:

Φ = (Bm sinwt)2bx

Por otra parte, sabemos que la fem inducida en la espiraes:

e =dΦ

dt

Derivando se tiene:

e = (Bmw coswt)2bx

Si tomamos en la chapa una espira diferencial, su resis-tencia será

R = ρ2b+ 2x

adx

y despreciando 2x frente a 2b, escribiremos:

R ≈ ρ2b

adx

La potencia en la espira será,

dP =E2

ef

R

siendo Eₑ la tensión eficaz, cuyo valor en función del má-ximo, E , es

Eef =Em√2

Por lo tanto la potencia perdida será:

dP =B2

mw24b2x2

2R=

adx

ρ4bB2

mw24b2x2

Y la potencia total perdida a consecuencia de las corrien-tes de Foucault:

P =∫ e

2

odP =1ρB

2m.w2b.a

[x3

3

] e2

< Si reemplazamos ahora ω por 2πf , se obtiene

P =1

ρB2

m4π2f2bae3

24

o, lo que es lo mismo

P =1

ρB2

m.4π2f2baee2

24

4 6 ENLACES EXTERNOS

en donde bae , es el volumen de la carga.De todo lo expuesto se deduce que las pérdidas en vatiospor metro cúbico debidas a las corrientes de Foucault se-rán:

P =π2

6ρe2B2

mf2

Dado el carácter perjudicial de las corrientes de Foucault,por los motivos ya apuntados, es necesario tomar las si-guientes precauciones:

a) Todas las masas metálicas some-tidas a variaciones de inducción de-ben ser laminadas y colocadas enpaquetes paralelos. De esta formase evita el recorrido de las corrien-tes de Foucault engendradas en pla-nos perpendiculares a los flujos.

b) Los remaches y tornillos queunen las chapas no deben cerrar cir-cuitos conductores que abracen flu-jo variable.

c) Los soportes metálicos de las bo-binas han de ser cortados por mediode una incisión paralela a las líneasde inducción, o bien utilizar sustan-cias no conductoras.

4 Reducción de las corrientes

Si el ejemplo del péndulo lo repetimos, modificando laestructura de las placas de cobre, es decir, hendimos lapieza de forma vertical con numerosos cortes, podremoscomprobar que el frenado del péndulo ha disminuido sig-nificativamente. Esto no quiere decir que las corrienteshayan desaparecido, sino que debido a la limitación dela banda donde actúa, limitado por los cortes realizados,éstas se ven muy mermadas.Para disminuir el desarrollo de las corrientes de Foucaultse emplea el sistema de construir los núcleos de hierroen lugar de macizos, mediante chapas o láminas super-puestas con un espesor de 0.2 a 0.6 mm, aisladas unasde las otras con barniz o papel. Las chapas se hacen conun acero al silicio de alta resistividad, de modo que laintensidad de la corriente inducida disminuye y las pér-didas alcanzan así un valor admisible. Esta construcciónno produce la disminución del flujo magnético, pues sedispone siempre según el plano que recorren las líneas defuerza.La calidad de estas láminas en cuanto a las pérdidas porhistéresis y corrientes de Foucault se caracteriza por la

potencia en vatios(W), disipada por kilo de plancha so-metido a una inducción alternativa de una tesla, a razónde 50 ciclos de imantación por segundo.La siguiente tabla da los valores de las pérdidas específi-cas en W/kg, para diversas calidades de planchas magné-ticas que existen en el mercado.

En los núcleos de hierro utilizados en las bobinas de altafrecuencia, la disposición clásica en láminas, que hemosvisto antes, ya no es suficiente, por lo que, estos núcleosestán construidos con hierro especial, de polvo comprimi-do y aglomerado con barniz aislante, de tal manera quecada grano de hierro se encuentra aislado de sus más pró-ximos, siendo ésta la única forma de reducir las pérdidasen el hierro, hasta conseguir un valor aceptable.

5 Véase también• Sensor inductivo

• Transformador

• Bobina de Tesla

• Ferrita

6 Enlaces externos• Una demostración en vídeo de corrientes de Fou-cault

• Separadores por corriente de Foucault para materia-les no magnéticos - máquinas utilizadas en el sectorde reciclado.

• Vídeos de los separadores por corrientes de Foucault

• Un medidor de conductividad por el método de lascorrientes de Foucault

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7 Text and image sources, contributors, and licenses

7.1 Text• Corriente de Foucault Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente%20de%20Foucault?oldid=78540141 Colaboradores: PACO, FAR,

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