La inducción electromagnética juega un papel muy importante en la sociedad actual, ya que no sólo permite generar energía en centrales como las nucleares, si no que hace posible el transporte de energía desde estos lugares a nuestras casas. Para saber más acerca de la generación de energía y de su transporte, os recomendamos leer nuestros artículos: “Tipos y fuentes de energía” y “El sistema energético español“.
Antes de continuar leyendo este artículo, os recomendamos encarecidamente leer los de “Campo eléctrico” y “Campo magnético“, ya que el fenómeno físico de la inducción electromagnética es fruto de la unificación del estudio de ambos campos.
CONCEPTOS BÁSICOS
NOTA IMPORTANTE: En negrita y cursiva se denotan las magnitudes vectoriales.
EXPERIENCIAS DE FARADAY
¿Cómo se pasó de estudiar el campo eléctrico y el campo magnético por separado a estudiarlos a la vez? Como ya os comentamos en el artículo “Una breve historia del electromagnetismo“, fue en 1831 cuando el físico y químico inglés Michael Faraday logró obtener por primera vez experimentalmente una corriente eléctrica a partir de un imán, descubriéndose así la inducción electromagnética.
- Primera experiencia: Al acercar un imán a una bobina de hilo conductor, se observa que aparece un corriente eléctrica cuando el imán está en movimiento, y desaparece cuando el imán está parado. Además, si se mueve el imán en sentido contrario, se invierte también el sentido de la corriente eléctrica producida.
- Segunda experiencia: Se enrollan dos bobinas alrededor de una barra de hierro, y se conecta la primera a una pila con un interruptor y se obtienen 3 resultados principales:
1. Al conectar el interruptor, se observa una corriente en la segunda bobina. Además, las corrientes en las dos bobinas circulan en sentidos opuestos.
2. Al desconectar el interruptor, se induce de nuevo una corriente eléctrica en la segunda bobina, que tiene sentido opuesto a la observada en 1.
3. Se induce corriente en la segunda bobina mientras aumenta o disminuye la intensidad de corriente en la primera, pero no cuando ésta se mantiene constante.
1. Flujo magnético
El flujo magnético Ø a través de una superficie S (cuyo vector de superficie S es perpendicular a ella) es una medida del número de líneas de campo magnético B que atraviesan dicha superficie:
Ø = ∫S B · dS
Cuando el campo es uniforme en el espacio y la superficie que atraviesa es plana, el flujo de campo magnético se reduce al producto escalar de B y S, siendo θ el ángulo que forman ambos vectores:
Ø = B · S = B · S · cosθ
La unidad de flujo de campo magnético en el SI es el Weber (Wb).
2. Inducción electromagnética
De las experiencias de Faraday, se deduce que la inducción electromagnética consiste en la variación del flujo magnético. Esto puede ocurrir variando cualquiera de las 3 magnitudes que aparecen en su ecuación:
- Variación del campo magnético B.
- Variación de la superficie S del circuito eléctrico.
- Variación del ángulo θ entre el campo magnético B y el vector superficie S.
3. Ley de Lenz
La ley de Lenz fue establecida por Lenz en 1834, y permite conocer el sentido de la corriente eléctrica inducida, ya que afirma que el sentido de esta corriente es tal que se opone a la causa que lo produce. En realidad, esto es consecuencia del principio de conservación de la energía, ya que si el sentido de la corriente inducida fuese el de favorecer la causa que lo produce, se generaría energía ilimitada de la nada (y esto es imposible).
4. Ley de Faraday
La fuerza electromotriz inducida (fem) en un circuito es igual a la velocidad con la que varía el flujo magnético a través de dicho circuito, cambiada de signo:
ε = – dØ / dt
La unidad de fuerza electromotriz en el SI es el Voltio (V).
La intensidad de la corriente inducida i en un circuito de resistencia R puede calcularse muy fácilmente usando la ley de Ohm y la ley de Faraday:
I = ε / R = – dØ / ( R · dt )
La unidad de corriente eléctrica en el SI es el Amperio (A).
La unidad de resistencia eléctrica en el SI es el Ohmio (Ω).
EXPERIENCIA DE HENRY
Simultáneamente a las experiencias de Faraday, el físico Joseph Henry observó que si un conductor se mueve perpendicularmente a un campo magnético, aparece una diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Esta experiencia puede explicarse con la ley de Lorentz, por las fuerzas que el campo magnético ejerce sobre las cargas del conductor.
Vamos a considerar un conductor rectilíneo de longitud l que se desplaza de izquierda a derecha con una velocidad v en un campo magnético uniforme B dirigido hacia abajo. Los electrones del conductor experimentan una fuerza magnética cuyo módulo es:
Fmag = e v B
Debido al campo magnético, los electrones se acumulan en el extremo inferior, dejando una acumulación de carga positiva en el extremo superior, y generándose por lo tanto un campo eléctrico E en el conductor, que da lugar a su vez una fuerza eléctrica sobre los electrones:
Felect = e E
Al igualar ambas fuerzas, se obtiene que el campo eléctrico depende de v y B como:
E = v B
Para calcular la fem inducida en el conductor, hemos de tener primero en cuenta que dado que éste tiene una longitud l y se mueve con una velocidad v, en un tiempo t barrerá un área:
S = l v t
El flujo de campo magnético que atraviesa el área barrida por el conductor es por lo tanto:
Ø = B · S = B l v t
Para hallar la fem, se deriva Ø respecto al tiempo y se cambia el signo, obteniéndose:
ε = – B l v
EJERCICIOS RESUELTOS
Debido a la gran cantidad de ejercicios resueltos de física para la EVAU disponibles online, os dejamos los siguientes enunciados y su correspondiente resolución.
BIBLIOGRAFÍA
Libro de Física de 2º de bachillerato de la editorial Edebé.
Para cualquier duda de este tema, dejadnos un comentario en esta entrada y os contestaremos lo antes posible!
