Inducción electromagnética

1. Trabajo de Física INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Juanjo Alonso Hernández

2. INDUCCION ELECTROMAGNETICA : 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.

3. 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 que se coloque a su lado.

4. 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 .

5. EXPERIENCIA DE HENRY: Joseph Henry descubrió que si un conductor se mueve perpendicularmente a un campo magnético, se origina una diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Si el conductor forma parte de un circuito cerrado, aparece una corriente eléctrica.   Al desplazar la varilla conductora, los electrones del metal se mueven con una velocidad en el interior del campo magnético y sobre ellos actúa una fuerza . La desplaza los electrones hasta el extremo a de la varilla y se produce una acumulación de carga negativa en a y de carga positiva en b, que produce un campo eléctrico que se opone al desplazamiento de nuevos electrones. En el equilibrio y por lo tanto y de este modo . Por tanto, el campo eléctrico inducido en el interior de la varilla (conductor) es directamente proporcional al campo magnético externo y a la velocidad de la varilla. El campo inducido crea una diferencia de potencial , que se mantendrá mientras persista el movimiento del conductor. Si se invierte el sentido del movimiento, la diferencia de potencial se invierte. Al producirse este fenómeno hemos obtenido un conductor con acumulación de cargas de distinto signo en sus extremos, esto es, un generador . La diferencia de potencial entre los extremos del conductor se denomina fuerza electromotriz (fem) ε y es la magnitud característica del generador.

6. como el campo magnético es dependiente de la posición tenemos que el flujo magnético es igual a: Ley de Faraday-Lenz La ley de Faraday nos habla sobre la inducción electromagnética , la que origina una fuerza electromotriz en un campo magnético . Es habitual llamarla ley de Faraday-Lenz en honor a Heinrich Lenz ya que el signo menos proviene de la Ley de Lenz . También se le llama como ley de Faraday-Henry, debido a que Joseph Henry descubrió esta inducción de manera separada a Faraday pero casi simultáneamente. Lo primero que se debe introducir es la fuerza electromotriz , si tenemos un campo magnético variable con el tiempo, una fuerza electromotriz es inducida en cualquier circuito eléctrico ; y esta fuerza es igual a menos la derivada temporal del flujo magnético , así :

7. Además , el que exista fuerza electromotriz indica que existe un campo eléctrico que se representa como: con lo que finalmente se obtiene la expresión de la ley de Faraday : Lo que indica que un campo magnético que depende del tiempo implica la existencia de un campo eléctrico, del que su circulación por un camino arbitrario cerrado es igual a menos la derivada temporal del flujo magnético en cualquier superficie limitada por el camino cerrado. El signo negativo explica que el sentido de la corriente inducida es tal que su flujo se opone a la causa que lo produce, compensando así la variación de flujo magnético ( Ley de Lenz ).

8. APLICACIONES DE LA INDUCCION ELECTROMAGNETICA:   El alternador Consiste en una espira plana que gira a velocidad angular constante en el seno de un campo magnético uniforme creado por imanes permanentes. Los extremos de la espira están conectados a dos anillos que giran solidariamente con esta. Un circuito externo se acopla a los anillos mediante dos escobillas. A medida que gira la espira va variando el número de líneas de campo magnético que la atraviesan, debido a que varía la superficie de la espira expuesta a los polos del imán. Aparece una corriente eléctrica (una fuerza electromotriz) en la espira que hace circular la corriente eléctrica en el circuito exterior. La fuerza electromotriz inducida (fem) varía en el tiempo de forma sinusoidal, es decir, es periódica y cambia alternativamente de polaridad. En los alternadores de uso común se usa una bobina de N espiras para aumentar en un factor N el flujo magnético y la fuerza electromotriz inducida .  

9. La dinamo Consiste en una espira plana que se hace girar entre los polos de un imán, de modo que la variación de flujo magnético que atraviesa la espira genera una corriente inducida. Los extremos de la espira están conectados a dos semianillos apoyados sobre las dos escobillas. A cada media vuelta de la espira los semianillos cambian de escobilla y así, la corriente del circuito externo circula siempre en el mismo sentido. Se llama receptor eléctrico a cualquier dispositivo que transforma energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. Si transforma energía eléctrica en trabajo mecánico, recibe el nombre de motor eléctrico. El motor eléctrico consiste en una espira plana por la que circula una corriente eléctrica situada entre los polos de un imán. El campo magnético del imán ejerce sobre la espira un par de fuerzas que la hacen girar. Así se consigue realizar trabajo mecánico .

10. AUTOINDUCCIÓN E INDUCTANCIA: Autoinducción: es un fenómeno electromagnético que se presentan en determinados sistemas físicos como por ejemplo circuitos eléctricos con una corriente eléctrica variable en el tiempo. En este tipo de sistemas la variación de la intensidad de la corriente produce un flujo magnético variable, lo cual a su vez genera una fuerza electromotriz (voltaje inducido) que afecta a su vez a la corriente eléctrica que se opone al flujo de la corriente inicial inductora, es decir, tiene sentido contrario. En resumen, la autoinducción es una influencia que ejerce un sistema físico sobre sí mismo a través de campos electromagnéticos variables. Según la ley de Lenz , si la autoinducción ocurre por disminución de la intensidad, el sentido de la corriente autoinducida es el mismo que el de la corriente inicial, o, si la causa es un aumento, el sentido es contrario al de esta corriente . Se denomina autoinducción de un circuito a la generación de corrientes inducidas en el circuito, cuando en él se produce una variación del propio flujo. Ésta puede variar según la intensidad de corriente . En 1831 , M. Faraday descubrió que, cuando un imán se mueve dentro de una espiral de alambre, en éste puede generarse una corriente eléctrica. A esta corriente se le conoce como bobina o solenoide (no confundirla con un electroimán). En éste, el conductor está enrollado alrededor de una barra o núcleo de hierro, para que no haya contacto entre el imán y las espiras (alambre helicoidal). El movimiento de un imán dentro del solenoide induce una corriente, y ésta produce un voltaje. La magnitud de voltaje inducido depende de la cantidad de espiras (vueltas ascendentes en torno al núcleo) del inductor .

11. Inductancia: en electromagnetismo y electrónica, la inductancia es una medida de la oposición a un cambio de corriente de un inductor o bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético , y se define como la relación entre el flujo magnético y la intensidad de corriente eléctrica que circula por la bobina y el número de vueltas (N) de el devanado. El signo de la tensión y de la corriente son los siguientes: si la corriente que entra por la extremidad A del conductor, y que va hacia la otra extremidad, aumenta, la extremidad A es positiva con respecto a la opuesta. Esta frase también puede escribirse al revés: si la extremidad A es positiva, la corriente que entra por A aumenta con el tiempo .