Inducción Electromagnética (página 2)

El descubrimiento, debido a Oersted, de que una corriente
eléctrica produce un campo
magnético estimuló la imaginación de los
físicos de la época y multiplicó el
número de experimentos en
busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el
magnetismo. En
ese ambiente
científico pronto surgiría la idea inversa de
producir corrientes eléctricas mediante campos
magnéticos. Algunos físicos famosos y otros menos
conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que
también la naturaleza
apostaba por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en
precisar en qué condiciones podía ser observado
semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas
producidas mediante campos magnéticos Faraday las
llamó corrientes inducidas. Desde entonces al
fenómeno consistente en generar campos eléctricos a
partir de campos magnéticos variables se
denomina inducción electromagnética.

La inducción electromagnética
constituye una pieza destacada en ese sistema de
relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que se conoce
con el nombre de electromagnetismo. Pero, además,
se han desarrollado un sin número de aplicaciones
prácticas de este fenómeno físico. El
transformador que se emplea para conectar una calculadora a la
red, la dinamo de
una bicicleta o el alternador de una gran central
hidroeléctrica son sólo algunos ejemplos que
muestran la deuda que la sociedad
actual tiene contraída con ese modesto encuadernador
convertido, más tarde, en físico experimental que
fue Michael Faraday.

Cuando movemos un imán permanente por el interior de
las espiras de una bobina solenoide (A), formada por
espiras de alambre de cobre, se
genera de inmediato una fuerza
electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente
eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida
por la "inducción magnética" del imán en
movimiento.Si
al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda
bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente
al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un "campo
electromagnético", capaz de inducir, a su vez, corriente
eléctrica en una tercera bobina.

Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide
(C) junto a la bobina (B), sin que exista entre
ambas ningún tipo de conexión ni física, ni
eléctrica y conectemos al circuito de esta última
un galvanómetro (G), observaremos que cuando
movemos el imán por el interior de (A), la aguja
del galvanómetro se moverá indicando que por las
espiras de (C), fluye corriente eléctrica
provocada, en este caso, por la "inducción
electromagnética" que produce la bobina (B). Es
decir, que el "campo magnético" del imán en
movimiento produce "inducción magnética" en el
enrollado de la bobina (B), mientras que el "campo
electromagnético" que crea la corriente eléctrica
que fluye por el enrollado de esa segunda bobina produce
"inducción electromagnética" en una tercera
bobina.

Una carga eléctrica crea un campo
eléctrico. Una carga eléctrica en movimiento
cra además un campo magnético. Para expresar la
existencia de dos campos, diremos que la corriente
eléctrica crea un campo electromagnético. El
electromagnetismo estudia las relaciones entre
corrientes eléctricas y fenómenos
magnéticos.

La similitud que existe entre el comportamiento
de los imanes y las cargas eléctricas sugiere la
posibilidad de que exista una relación de los
fenómenos eléctricos y magnéticos.

En 1820 el físico y químico Hans Christian
Oersted, consiguió demostrar la relación existente
entre ellos, así que realizo una práctica.

De esta experiencia llego a una conclusión evidente: un
conductor por el que circula una corriente eléctrica crea
un campo magnético.

Oersted comprobó también que cuanto mas grande
era la intensidad de corriente, mayor era la velocidad de
desviación de la aguja imantada, y el conductor, para un
valor de
intensidad constante, mayor era la desviación
experimentada por la aguja.

Flujo Magnético: Las corrientes
eléctricas producen efectos magnéticos. Una
corriente eléctrica produce un campo magnéticoUna pregunta que surge en
forma natural es si es posible que algún fenómeno
magnético produzca también un fenómeno
eléctrico. Faraday (1831) descubrió que los efectos
buscados aparecen como consecuencia de la variación
temporal de los campos magnéticos.

Antes de discutir los resultados de Faraday, definamos el
concepto de
flujo magnético.

Es el flujo magnético que atraviesa una superficie
S. El flujo magnético tiene varias propiedades
interesantes,

• El flujo a través de una superficie cerrada
  cualquiera es siempre cero.

• Debido a lo anterior, el flujo a través de una
  superficie S abierta no depende de su forma, sino
  sólo de la curva que lo limita.

• El hecho anterior puede hacerse explícito.

Experimento de
Faraday:

En el experimento de Faraday, al cerrar el interruptor en el
circuito 'primario', se produce una corriente en el secundario.
Al cabo de un tiempo, la
corriente cesa. Si entonces se abre el interruptor, vuelve a
aparecer corriente en el secundario, la cual nuevamente cesa al
cabo de un tiempo breve. Es importante recalcar que los circuitos
primario y secundario se hallan físicamente separados (no
hay contacto eléctrico entre ellos).

Los resultados del experimento de Faraday (y muchos otros) se
pueden entender en términos de una nueva ley experimental,
que se conoce como la ley de Faraday-Lenz:

La variación temporal del flujo magnético
enlazado por un circuito, induce en éste una
'fem'

Ley de Lenz:

El sentido de la 'fem' inducida es tal que siempre tiende a
oponerse a la variación del flujo magnético (lo
cual explica el signo (-)).

La variación temporal del flujo magnético
enlazado por un circuito puede deberse a varias causas, entre las
cuales se puede mencionar:

• Variación temporal de,

• El circuito se mueve.

• El circuito se deforma.

Por supuesto, una combinación de las causas anteriores
también producirá variación del flujo.
Observemos también que la Ley de Faraday es una ley
experimental, que no puede deducirse,-en su forma general, de
ningún otro hecho previamente conocido.

Recordemos ahora que la 'fem' de un circuito C se
define como, en que este campo eléctrico no es un campo
electrostático.

Sentido de corrientes
inducidas:

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. Lenz (1904-1965), un físico alemán
que investigó el electromagnetismo en Rusia al mismo
tiempo que Faraday y Henry, propuso la siguiente
explicación del sentido de circulación de las
corrientes inducidas que se conoce como ley de Lenz:

Las corrientes que se inducen en un circuito se producen en un
sentido tal que con sus efectos magnéticos tienden a
oponerse a la causa que las originó.

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 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.

Producción de
una corriente alterna:

La corriente alterna
se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el
tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte
periódicamente sus dos polos eléctricos,
convirtiendo el positivo en negativo y viceversa, muchas veces
por segundo.

La ley de Faraday-Henry establece que se induce una fuerza
electromotriz (f.e.m.) ð en un circuito eléctrico
siempre que varíe el flujo magnético ð que lo
atraviesa. Pero de acuerdo con la definición de flujo
magnético (ecuación 12.1), éste puede variar
porque varíe el área S limitada por el
conductor, porque varíe la intensidad del campo
magnético B o porque varíe la
orientación entre ambos dada por el ángulo.

En las primeras experiencias de Faraday las corrientes
inducidas se conseguían variando el campo magnético
B; no obstante, es posible provocar el fenómeno
de la inducción sin desplazar el imán ni modificar
la corriente que pasa por la bobina, haciendo girar ésta
en torno a un eje
dentro del campo magnético debido a un imán. En tal
caso el flujo magnético varía porque varía
el ánguloUtilizando el tipo de razonamiento de Faraday,
podría decirse que la bobina al rotar corta las
líneas de fuerza del campo magnético del
imán y ello da lugar a la corriente inducida.

En una bobina de una sola espira la fuerza electromotriz media
que se induce
durante un cuarto devuelta al girar la bobina desde la
posición paralela = 90º) a la posición perpendicular
(= 0º) puede
calcularse a partir de la ley de Faraday-Henry, en la forma:

Como el flujo ð inicial es cero (cos 90º = 0) y el
final es B · S (cos 0º = 1), la
variación ðð o diferencia entre ambos es igual al
producto B
· S. Considerando el instante inicial igual a cero,
resulta ðt = t · 0 = t, siendo
t el tiempo correspondiente al instante final
después de un cuarto de vuelta. De este modo se obtiene el
resultado anterior.

Si se hace rotar la espira uniformemente, ese movimiento de
rotación periódico
da lugar a una variación también periódica
del flujo magnético o, en otros términos, la
cantidad de líneas de fuerza que es cortada por la espira
en cada segundo toma valores
iguales a intervalos iguales de tiempo. La f.e.m. inducida en la
espira varía entonces periódicamente con la
orientación y con el tiempo, pasando de ser positiva a ser
negativa, y viceversa, de una forma alternativa. Se ha generado
una f.e.m. alterna cuya representación gráfica, en
función
del tiempo, tiene la forma de una línea
sinusoidal.

Coeficiente de
autoinducción e inducción mutua:

La idea es que un circuito interactúa con sí
mismo y con sus vecinos, como consecuencia directa de la ley de
Faraday-Lenz. Los coeficientes de autoinducción e
inducción mutua son una medida de esta interacción o 'acoplamiento' inductivo.

Para definir los coeficientes, consideremos dos circuitos
c1 y c2, por los cuales circulan corrientes
I1 e I2, respectivamente -ver dibujo–

Coeficientes de autoinducción e inducción
mutua.

Otras aplicaciones de
electromagnetismo:

Trenes de levitación magnética. Estos
trenes no se mueven en contacto con los rieles, sino que van
"flotando" a unos centímetros sobre ellos debido a una
fuerza de repulsión electromagnética. Esta fuerza
es producida por la corriente eléctrica que circula por
unos electroimanes ubicados en la vía de un tren, y es
capaz de soportar el peso del tren completo y elevarlo.

Timbres. Al pulsar el interruptor de un timbre, una
corriente eléctrica circula por un electroimán
creado por un campo magnético que atrae a un
pequeño martillo golpea una campanilla interrumpiendo el
circuito, lo que hace que el campo magnético desaparezca y
la barra vuelva a su posición. Este proceso se repite
rápidamente y se produce el sonido
característico del timbre.

Motor eléctrico. Un motor
eléctrico sirve para transformar electricidad en
movimiento. Consta de dos partes básicas: un rotor y un
estator. El rotor es la parte móvil y esta formado por
varias bobinas. El estator es un imán fijo entre cuyos
polos se ubica la bobina. Su funcionamiento se basa en que al
pasar la corriente por las bobinas, ubicadas entre los polos del
imán, se produce un movimiento de giro que se mantiene
constante, mediante un conmutador, generándose una
corriente alterna.

Transformador. Es un dispositivo que permite aumentar o
disminuir el voltaje de una corriente alterna. Esta formado por
dos bobinas enrolladas en torno a un núcleo o marco de
hierro. Por la
bobina llamada primario circula la corriente cuyo voltaje se
desea transformar, produciendo un campo magnético variable
en el núcleo del hierro. Esto induce una corriente alterna
en la otra bobina, llamada secundario, desde donde la corriente
sale transformada. Si el numero de espiras del

primario es menor que el del secundario, el voltaje de la
corriente aumenta, mientras que, si es superior, el voltaje
disminuye.

Conclusión:

En la
investigación de este trabajo "electromagnetismo" me
di cuenta que muchos aparatos eléctricos que incluso
tenemos en la casa funcionan gracias a este fenómeno que
ha sido tan estudiado por tantos años y que cada vez se
presentan nuevos avances en la tecnología, en las
comunicaciones
gracias al electromagnetismo.

En este trabajo me pude dar cuenta lo que significa el
fenómeno de electromagnetismo, sus usos, su historia y los
científicos que lo han estudiado por años. Se puede
apreciar como dos fenómenos como la electricidad y el
magnetismo se unen formando el centro de nuestra investigación, como un simple sonido del
timbre de nuestra casa puede contener la ciencia
estudiada, lo que significa que donde miremos la física va
ha estar ahí con alguno de sus múltiples
fenómenos.

La vida en la tierra
entorna a la física, esta es la que nos explica los
diferentes fenómenos que suceden a nuestro alrededor.

La autoinductancia es independiente del voltaje o la
intensidad de corriente. Está determinada por la geometría de la bobina y las propiedades
magnéticas del núcleo.

La inducción ocurre solamente cuando el conductor se
mueve en ángulo recto con respecto a la dirección del campo magnético. Este
movimiento es necesario para que se produzca la inducción,
pero es un movimiento relativo entre el conductor y el campo
magnético. De esta forma, un campo magnético en
expansión y compresión puede crearse con una
corriente a través de un cable o un electroimán.
Dado que la corriente del electroimán aumenta y se reduce,
su campo magnético se expande y se comprime (las
líneas de fuerza se mueven hacia adelante y hacia
atrás). El campo en movimiento puede inducir una corriente
en un hilo fijo cercano.

Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito
eléctrico es necesaria una fuente de fuerza
electromotriz.

Cuando se hace oscilar un conductor en un campo
magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de
sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del
conductor.

Bibliografía:

• Inducción a la electrotécnica de Marcelo
  Antonio Sobrevila año d 1967.

• Enciclopedia temática autoevaluativa para el siglo
  XXI .

• Interacción electromagnética: teoría
  clásica de Joan Costa y Fernando López A. del
  año 2007.

Autor:

Estephania Silva Guillén

Nombre del catedrático: Cuauhtémoc Moreno
García.

Área: "Físico Matemático"

Escuela Preparatoria Lázaro
Cárdenas del Río

Las Margaritas Chiapas; 03 de
mayo del 2009.