Inducción Electromagnética

El descubrimiento de la inducción electromagnética

Michael Faraday descubrió la ley de la inducción en 1831. Llevó a cabo un procedimiento experimental en el que conectó una pila, un galvanómetro, un imán y un hilo conductor. Puedes verlo en la figura 1.

Esto es lo que Faraday descubrió durante su experimento:

• Cuando desconectó la pila, no hubo flujo de corriente eléctrica ni se indujo flujo magnético en el imán.
• Cuando cerró el interruptor, se pudo observar una corriente transitoria que fluía por el galvanómetro. Faraday la denominó "onda eléctrica".
• Cuando abría el interruptor, la corriente medida se disparaba rápidamente hacia el lado opuesto de las lecturas antes de volver a cero.

En los meses siguientes, Faraday continuó sus experimentos, que le llevaron a descubrir otras propiedades de la inducción electromagnética. Observó las mismas corrientes transitorias cuando movía rápidamente una barra magnética a través de la bobina de alambres. También generó corriente continua (CC ) haciendo girar un disco de cobre junto a la barra magnética con un cable eléctrico deslizante.

Faraday resumió sus descubrimientos utilizando un concepto que denominó "líneas de fuerza". Cuando el interruptor se cambiaba inicialmente de abierto a cerrado, el flujo magnético dentro del núcleo magnético aumentaba de cero al valor máximo (que era un valor constante). Al aumentar el flujo, se observó una corriente inducida en el lado opuesto. Del mismo modo, cuando se abría el interruptor, el flujo magnético en el núcleo disminuía desde su valor máximo constante hasta cero. Por tanto, un flujo decreciente en el núcleo inducía una corriente opuesta en el lado derecho.

La ley de inducción electromagnética de Faraday

Faraday observó los resultados de su experimento y expresó sus observaciones matemáticamente. Observó que el cambio repentino del flujo magnético dentro del imán aumentaba de cero a algún valor máximo. Así, al cambiar el flujo, se creaba una corriente inducida en el lado opuesto.

Faraday llegó a la conclusión de que un flujo magnético cambiante en un circuito cerrado induce una fuerza electromotriz o tensión, que se muestra en la siguiente ecuación. En esta ecuación, ε es la fuerza electromotriz (medida en voltios), Φ es el flujo magnético en un circuito (medido en weber), N es el número de vueltas de la bobina y t es el tiempo (medido en segundos).

\[\varepsilon = N \cdot \frac{\Delta \phi}{\Delta t}\]

A partir de esta ecuación, podemos determinar los parámetros que afectan al campo magnético: un imán más potente (que afecta al flujo magnético), más bobinas (que afecta a N) y la velocidad a la que se mueve el alambre.

La ecuación de Maxwell-Faraday

La ecuación de Maxwell-Faraday afirma que un campo magnético que cambia en el tiempo crea un campo eléctrico que varía espacialmente y viceversa. Puedes ver la ecuación de Maxwell-Faraday a continuación, donde × es un símbolo matemático que representa el gradiente del campo eléctrico E, y B es el campo magnético. Ambos campos son función de la posición r y del tiempo t.

\[\bigtriangledown \cdot E = \frac{-\Delta B}{\Delta t}\]

Ley de Lenz de la inducción electromagnética

La ley de Lenz también se expresa matemáticamente en la ecuación siguiente. El signo menos es la adición de la ley de Lenz a la expresión de Faraday para mostrar que la dirección de la fuerza inducida se opone a los cambios en el campo magnético.

\[\varepsilon = -N \cdot \frac{\Delta \phi}{\Delta t}\]

Regla de Lenz de la mano derecha

La dirección de la corriente inducida puede averiguarse mediante la regla de Lenz de la mano derecha. Extendemos los dedos de modo que queden perpendiculares entre sí. El pulgar señala la fuerza (F), el índice la dirección del campo magnético (B) y el dedo corazón la dirección de la corriente inducida (I).

Inducción electromagnética y enlace de flujo magnético

Puedes verlo en la siguiente ecuación, donde Φ es el flujo magnético (Wb), N es el número de espiras, B es la densidad de flujo magnético (T) y A es el área de la sección transversal (^m2). Cuando consideramos el flujo magnético de una bobina, la componente N es crucial para calcular el enlace magnético de una bobina.

\[\phi N = BAN\]

Calculamos el enlace magnético total multiplicando el flujo magnético por el número de espiras de una bobina. Podemos ignorar el término N cuando se considera el flujo magnético de un área determinada.

\[\phi N = BA\]

Aplicaciones de la inducción electromagnética

La inducción electromagnética es muy importante porque es una forma de generar electricidad en un circuito cerrado. La inducción electromagnética es muy útil en generadores eléctricos, transformadores y motores. Las aplicaciones más conocidas de la inducción electromagnética son el generador de corriente alterna, el transformador eléctrico y el caudalímetro magnético.