La formulación de la ley de inducción electromagnética plantea que la fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es igual en modulo a la rapidez con que varía el flujo magnético.
El descubrimiento de que existía una relación entre la electricidad y el magnetismo creo un hito en la historia de la física. Este hecho transformo la electricidad y el magnetismo, que hasta ese momento solo estudiaban los campos estáticos. En el siguiente artículo explicaremos los fenómenos que ocurren cuando estamos en presencia de un campo eléctrico y magnético que varía con el tiempo. Surgen así una gran variedad de fenómenos que trasformaron a la electricidad y el magnetismo en electrodinámica.
El funcionamiento de todos los generadores de las centrales eléctricas se basa en la ley de inducción electromagnética. La energía eléctrica procedente de las centrales se transforma y divide en partes por medio de dispositivos. Esto se debe también a los conocimientos de la inducción electromagnética.
Fenómeno de Inducción Electromagnética
El físico Hans C. Oersted descubrió en el año 1820, que las corrientes eléctricas pueden provocar efectos magnéticos. A partir de esto, comenzaron múltiples investigaciones para buscar un posible efecto contrario. Es decir, utilizar un imán o campo magnético para generar corriente eléctrica.
Michael Faraday, en el año 1824, realizaba experimentos mediante los cuales acercaba imanes a conductores en forma de espiral. En los primeros momentos, no era posible detectar ninguna corriente eléctrica cuando se colocaba el imán cerca o en el interior de la espiral. En resumen, que el hecho de colocar simplemente una espiral en reposo dentro de un campo magnético no es suficiente.
Por otro lado, ¿qué pasaría si un conductor se mueve dentro del campo magnético de un imán? Podéis apreciar que durante el tiempo que dure el movimiento es posible detectar una corriente eléctrica a través del conductor. Esta corriente que recorre el conductor se denomina corriente inducida, y el fenómeno que la produce, inducción electromagnética.
De manera general, podemos decir que la corriente eléctrica surge en un conductor en reposo dentro de un campo magnético variable con el tiempo o en un conductor que se mueva dentro de un campo magnético estacionario, de tal modo que siempre varié el número de líneas de inducción magnética que atraviesa el circuito. En esto consiste el fenómeno de inducción electromagnética descubierto por Faraday.
Sentido de la Corriente Eléctrica Inducida
Siempre que se hace variar el número de líneas de inducción magnética, aparece una corriente eléctrica inducida. Cuando se ha medido experimentalmente dicha corriente, se ha observado que en algunos casos esta tiene un sentido, y en otros casos el sentido contrario. ¿A qué se debe este efecto?
Al analizar la corriente inducida en una bobina mientras se acerca un imán, se puede observar que el sentido de la corriente inducida que aparece en la bobina depende el movimiento del imán. Es decir, si acercamos el imán a la bobina la corriente inducida tiene un sentido. Por otro lado, si alejamos el imán, el sentido de la corriente se invierte. Interpretando esto, podemos concluir que la dirección de la corriente inducida depende del aumento o la disminución del número de líneas de inducción que atraviese la bobina.
Ley de Lenz
Basado en el estudio de resultados de experimentos semejantes al descrito anteriormente, H. F. Lenz formuló un principio que permitió determinar el sentido de la corriente inducida. Este principio expresa que la corriente de inducción, en todos los casos, tiene un sentido tal que sus efectos se oponen a la causa que lo origina.
Continuando con el experimento anterior, al aproximar el polo norte del imán a la bobina, el número de líneas de inducción aumenta. La corriente eléctrica tendrá, entonces, un sentido tal que el campo magnético se oponga a que aumente el número de líneas de inducción. Se forma así, un polo norte frente al imán. Si alejamos el polo norte del imán, el número de líneas de inducción que atraviesan la bobina disminuye. Como efecto, las líneas de inducción del campo magnético de la corriente inducida son del mismo sentido que las del imán. Se forma así un polo sur frente al imán que se aleja y la corriente inducida es de sentido contrario a la de la experiencia anterior.
Esta ley se fundamenta en la ley de conservación de la energía. Toda corriente eléctrica, aunque sea inducida por un campo magnético realiza trabajo. Por tanto, debe realizarse un cierto trabajo para producir dicha corriente eléctrica. Para acercar o alejar el imán a la bobina es necesario que un agente externo realice trabajo. Este agente debe vencer la fuerza de atracción o repulsión que surge entre la bobina y el imán.
El trabajo es una medida de la variación de energía. Si al aproxima el imán a la bobina, tendiera a introducirse en ella, se violaría la ley de conservación de la energía, ya que la energía cinética del imán aumentaría produciéndose además energía eléctrica. Por tanto, estas energías surgirían de la nada.
Definición de la Ley de Inducción Electromagnética
De los experimentos realizados por Faraday es posible determinar los factores de que depende el fenómeno de inducción electromagnética. Como ya vimos, el factor determinante es la variación de la cantidad de líneas de inducción magnética que atraviesan el área limitad por el conductor. Esto es conocido como flujo de inducción magnética. Además, la intensidad de la corriente inducida está determinada por la velocidad con que se varié el número de líneas de inducción.
Experimentalmente ha sido demostrado que la intensidad de la corriente inducida es proporcional a la rapidez con que varía el flujo magnético a través del área delimitada por el circuito. Ahora bien, la aparición de toda corriente eléctrica en un circuito exige la presencia de una fuerza electromotriz (fem). En el caso de la corriente eléctrica inducida, esta fuerza se denomina fuerza electromotriz de inducción.
La ley de inducción electromagnética se enuncia, precisamente, para la fuerza electromotriz y no para la intensidad de la corriente. Así, el enunciado de esta ley expresa la esencia del fenómeno, que no depende de las propiedades de los conductores. La formulación de la ley plantea que la fuerza electromotriz inducida en un circuito cerrado es igual en modulo a la rapidez con que varía el flujo magnético.
Aplicaciones de la Ley de Inducción Electromagnética
Las aplicaciones prácticas de la ley de inducción electromagnética están presentes en casi todos los equipos eléctricos de la actualidad. A continuación vamos a poner como ejemplos el análisis de dos equipo fundamentales: el generado eléctrico y el transformador.
Generador Eléctrico
La estructura y el funcionamiento de los generadores de corriente eléctrica se basan en el fenómeno de la inducción electromagnética. Un generador eléctrico es cualquier dispositivo capaz de crear y mantener una diferencia de potencial entre dos de sus puntos. Generalmente son maquinas que al rotar transforman energía mecánica en energía eléctrica. Las parte principales de este es un rotor o parte móvil y un estátor o parte estática.
Cuando se pone en funcionamiento un generador eléctrico, el rotor comienza a moverse generando un flujo magnético. Este flujo magnético es transformado en corriente eléctrica inducida por el estátor.
Transformador Eléctrico
El objetivo principal de un transformador eléctrico es el de aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico sin afectar la potencia. En estos dispositivos se instalan dos bobinas de algún material conductor. Estas bobinas son devanadas en un núcleo ferromagnético y aisladas una de la otra. Lo único que conecta a las dos bobinas es el flujo magnético que se produce en el núcleo.
Lo que determina si la tensión de salida es mayor o menor a la de entrada depende de la cantidad de vueltas o espiras de conductor que tenga la bobina de salida. Cuando se conecta el transformador se produce un flujo eléctrico en la bobina principal o de entrada. Este genera a su vez un flujo magnético a través del núcleo ferromagnético del transformador. Según la ley de inducción electromagnética, esto hace que aparezca una fuerza electromotriz en la bobina de salida o secundaria. La corriente eléctrica inducida en esta bobina tendrá una tensión de salida superior o inferior a la tensión de la bobina de entrada en dependencia de la cantidad de espiras conque se halla fabricado dicha bobina.
A partir de este principio podemos contar con los cargadores para nuestro móviles. Esto generalmente tiene una entrada de tensión de 110 – 220 V. La salida esta determinada por la tensión que necesita el móvil para cargarse, que puede oscilar entre los 5 – 12 V.
Conclusiones
Sin la existencia de la relación entre los campos eléctricos y magnéticos, sería imposible una variedad tan grande de manifestaciones de los fenómenos electromagnéticos como la que existe en la actualidad. Existen potentes centrales eléctricas que transforman energía en corriente eléctrica, y miles de aparatos que la consumen. Esto fue posible gracias a los conocimientos que se han adquirido de las leyes de la electrodinámica. El descubrimiento de la ley de inducción electromagnética relaciono la teoría con una enorme cantidad de aplicaciones prácticas.
