La inducción electromagnética o magnética es la producción de una fuerza electromotriz (fem) a través de un conductor eléctrico en un campo magnético cambiante .
A Michael Faraday se le atribuye generalmente el descubrimiento de la inducción en 1831, y James Clerk Maxwell la describió matemáticamente como la ley de inducción de Faraday . La ley de Lenz describe la dirección del campo inducido. La ley de Faraday se generalizó más tarde para convertirse en la ecuación de Maxwell-Faraday, una de las cuatro ecuaciones de Maxwell en su teoría del electromagnetismo .
La inducción electromagnética ha encontrado muchas aplicaciones, incluidos componentes eléctricos como inductores y transformadores , y dispositivos como motores y generadores eléctricos .
La inducción electromagnética fue descubierta por Michael Faraday , publicada en 1831. [3] [4] Fue descubierta de forma independiente por Joseph Henry en 1832. [5] [6]
En la primera demostración experimental de Faraday (29 de agosto de 1831), envolvió dos cables alrededor de lados opuestos de un anillo de hierro o " toro " (una disposición similar a un transformador toroidal moderno ). [ cita necesaria ] Basándose en su comprensión de los electroimanes, esperaba que, cuando la corriente comenzara a fluir en un cable, una especie de onda viajaría a través del anillo y causaría algún efecto eléctrico en el lado opuesto. Conectó un cable a un galvanómetro y lo observó mientras conectaba el otro cable a una batería. Vio una corriente transitoria, a la que llamó "onda de electricidad", cuando conectó el cable a la batería y otra cuando lo desconectó. [7] Esta inducción se debió al cambio en el flujo magnético que se produjo cuando se conectó y desconectó la batería. [2] En dos meses, Faraday encontró varias otras manifestaciones de inducción electromagnética. Por ejemplo, vio corrientes transitorias cuando deslizó rápidamente una barra magnética dentro y fuera de una bobina de cables, y generó una corriente constante ( CC ) al girar un disco de cobre cerca de la barra magnética con un cable eléctrico deslizante (" disco de Faraday). "). [8]
Faraday explicó la inducción electromagnética utilizando un concepto que llamó líneas de fuerza . Sin embargo, los científicos de la época rechazaron ampliamente sus ideas teóricas, principalmente porque no estaban formuladas matemáticamente. [9] Una excepción fue James Clerk Maxwell , quien utilizó las ideas de Faraday como base de su teoría electromagnética cuantitativa. [9] [10] [11] En el modelo de Maxwell, el aspecto variable en el tiempo de la inducción electromagnética se expresa como una ecuación diferencial, a la que Oliver Heaviside se refirió como ley de Faraday, aunque es ligeramente diferente de la formulación original de Faraday y no describe el movimiento. fem. La versión de Heaviside (consulte la ecuación de Maxwell-Faraday a continuación) es la forma reconocida hoy en el grupo de ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell .
En 1834, Heinrich Lenz formuló la ley que lleva su nombre para describir el "flujo a través del circuito". La ley de Lenz proporciona la dirección de la fem inducida y de la corriente resultante de la inducción electromagnética.
La ley de inducción de Faraday utiliza el flujo magnético Φ B a través de una región del espacio encerrada por un bucle de alambre. El flujo magnético está definido por una integral de superficie : [12]
Cuando el flujo a través de la superficie cambia, la ley de inducción de Faraday dice que el bucle de alambre adquiere una fuerza electromotriz (fem). [nota 1] La versión más extendida de esta ley establece que la fuerza electromotriz inducida en cualquier circuito cerrado es igual a la tasa de cambio del flujo magnético encerrado por el circuito: [16] [17]
La generación de una fem mediante una variación del flujo magnético a través de la superficie de un bucle de alambre se puede lograr de varias maneras:
En general, la relación entre la fem en un bucle de alambre que rodea una superficie Σ y el campo eléctrico E en el alambre está dada por
Es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell , y por tanto juega un papel fundamental en la teoría del electromagnetismo clásico .
La ley de Faraday describe dos fenómenos diferentes: la fem del movimiento generada por una fuerza magnética sobre un cable en movimiento (ver fuerza de Lorentz ), y la fem del transformador que es generada por una fuerza eléctrica debido a un campo magnético cambiante (debido a la forma diferencial del Ecuación de Maxwell-Faraday). James Clerk Maxwell llamó la atención sobre los fenómenos físicos separados en 1861. [21] [22] Se cree que este es un ejemplo único en física de dónde se invoca una ley tan fundamental para explicar dos fenómenos tan diferentes. [23]
Albert Einstein notó que las dos situaciones correspondían a un movimiento relativo entre un conductor y un imán, y el resultado no se veía afectado por cuál se movía. Éste fue uno de los principales caminos que le llevaron a desarrollar la relatividad especial . [24]
Los principios de la inducción electromagnética se aplican en muchos dispositivos y sistemas, incluidos:
La fem generada por la ley de inducción de Faraday debido al movimiento relativo de un circuito y un campo magnético es el fenómeno subyacente a los generadores eléctricos . Cuando un imán permanente se mueve con respecto a un conductor, o viceversa, se crea una fuerza electromotriz. Si el cable se conecta a través de una carga eléctrica , fluirá corriente y así se generará energía eléctrica , convirtiendo la energía mecánica del movimiento en energía eléctrica. Por ejemplo, el generador de batería se basa en la figura de la parte inferior derecha. Una implementación diferente de esta idea es el disco de Faraday , que se muestra de forma simplificada a la derecha.
En el ejemplo del disco de Faraday, el disco gira en un campo magnético uniforme perpendicular al disco, lo que hace que fluya una corriente en el brazo radial debido a la fuerza de Lorentz. Es necesario trabajo mecánico para impulsar esta corriente. Cuando la corriente generada fluye a través del borde conductor, esta corriente genera un campo magnético a través de la ley del circuito de Ampère (etiquetada como "B inducida" en la figura). La llanta se convierte así en un electroimán que resiste la rotación del disco (ejemplo de la ley de Lenz ). En el lado opuesto de la figura, la corriente de retorno fluye desde el brazo giratorio a través del lado opuesto del borde hasta el cepillo inferior. El campo B inducido por esta corriente de retorno se opone al campo B aplicado, tendiendo a disminuir el flujo a través de ese lado del circuito, oponiéndose al aumento del flujo debido a la rotación. En el lado cercano de la figura, la corriente de retorno fluye desde el brazo giratorio a través del lado cercano del borde hasta el cepillo inferior. El campo B inducido aumenta el flujo en este lado del circuito, oponiéndose a la disminución del flujo debido a la rotación. La energía necesaria para mantener el disco en movimiento, a pesar de esta fuerza reactiva, es exactamente igual a la energía eléctrica generada (más la energía desperdiciada debido a la fricción , el calentamiento Joule y otras ineficiencias). Este comportamiento es común a todos los generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica.
Cuando la corriente eléctrica en un bucle de alambre cambia, la corriente cambiante crea un campo magnético cambiante. Un segundo cable al alcance de este campo magnético experimentará este cambio en el campo magnético como un cambio en su flujo magnético acoplado . Por lo tanto, se establece una fuerza electromotriz en el segundo bucle llamada fem inducida o fem del transformador. Si los dos extremos de este bucle están conectados a través de una carga eléctrica, fluirá corriente.
Una pinza amperimétrica es un tipo de transformador con un núcleo dividido que se puede separar y enganchar a un cable o bobina para medir la corriente que contiene o, a la inversa, para inducir un voltaje. A diferencia de los instrumentos convencionales, la abrazadera no hace contacto eléctrico con el conductor ni requiere que se desconecte durante la fijación de la abrazadera.
La ley de Faraday se utiliza para medir el flujo de líquidos y lodos eléctricamente conductores. Estos instrumentos se denominan caudalímetros magnéticos. El voltaje inducido ε generado en el campo magnético B debido a un líquido conductor que se mueve a una velocidad v viene dado por:
donde ℓ es la distancia entre electrodos en el medidor de flujo magnético.
Los conductores eléctricos que se mueven a través de un campo magnético constante, o los conductores estacionarios dentro de un campo magnético cambiante, tendrán corrientes circulares inducidas en su interior por inducción, llamadas corrientes de Foucault . Las corrientes parásitas fluyen en bucles cerrados en planos perpendiculares al campo magnético. Tienen aplicaciones útiles en frenos de corrientes parásitas y sistemas de calentamiento por inducción . Sin embargo, las corrientes parásitas inducidas en los núcleos magnéticos metálicos de transformadores y motores y generadores de CA no son deseables ya que disipan energía (llamadas pérdidas del núcleo ) en forma de calor en la resistencia del metal. Los núcleos de estos dispositivos utilizan varios métodos para reducir las corrientes parásitas:
Las corrientes parásitas se producen cuando una masa metálica sólida gira en un campo magnético, porque la parte exterior del metal corta más líneas de fuerza magnética que la parte interior; por tanto, la fuerza electromotriz inducida no es uniforme; esto tiende a provocar corrientes eléctricas entre los puntos de mayor y menor potencial. Las corrientes parásitas consumen una cantidad considerable de energía y, a menudo, provocan un aumento perjudicial de la temperatura. [25]
En este ejemplo sólo se muestran cinco laminaciones o placas, para mostrar la subdivisión de las corrientes parásitas. En el uso práctico, el número de laminaciones o perforaciones oscila entre 40 y 66 por pulgada (16 a 26 por centímetro) y reduce la pérdida por corrientes parásitas a aproximadamente el uno por ciento. Si bien las placas se pueden separar mediante aislamiento, el voltaje es tan bajo que la capa natural de óxido de las placas es suficiente para evitar el flujo de corriente a través de las laminaciones. [25]
Se trata de un rotor de aproximadamente 20 mm de diámetro procedente de un motor de CC utilizado en un reproductor de CD. Nótense las laminaciones de las piezas polares del electroimán, utilizadas para limitar las pérdidas inductivas parásitas.
En esta ilustración, una barra conductora de cobre sólida sobre una armadura giratoria pasa justo por debajo de la punta de la pieza polar N del imán de campo. Observe la distribución desigual de las líneas de fuerza a través de la barra de cobre. El campo magnético está más concentrado y, por tanto, más fuerte en el borde izquierdo de la barra de cobre (a,b), mientras que el campo es más débil en el borde derecho (c,d). Dado que los dos bordes de la barra se mueven con la misma velocidad, esta diferencia en la intensidad del campo a través de la barra crea verticilos o remolinos de corriente dentro de la barra de cobre. [25]
Los dispositivos de alta frecuencia eléctrica, como motores eléctricos, generadores y transformadores, utilizan múltiples conductores pequeños en paralelo para romper los remolinos que pueden formarse dentro de grandes conductores sólidos. El mismo principio se aplica a los transformadores utilizados a una frecuencia superior a la de la potencia, por ejemplo, los utilizados en fuentes de alimentación de modo conmutado y los transformadores de acoplamiento de frecuencia intermedia de los receptores de radio.
Medios relacionados con la inducción electromagnética en Wikimedia Commons
