¿Qué Es La Ley De Inducción De Faraday?

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La ley de inducción de faraday describe cómo una corriente eléctrica produce un campo magnético y, a la inversa, cómo un campo magnético cambiante genera una corriente eléctrica en un conductor.

La Ley de Inducción de Faraday describe cómo una corriente eléctrica produce un campo magnético y, a la inversa, cómo un campo magnético cambiante genera una corriente eléctrica en un conductor. El físico inglés Michael Faraday recibe el crédito por descubrir la inducción magnética en 1830; sin embargo, un físico estadounidense, Joseph Henry, hizo el mismo descubrimiento de forma independiente casi al mismo tiempo, según la Universidad de Texas.

Es imposible exagerar la importancia del descubrimiento de Faraday. La inducción magnética hace posible los motores eléctricos, generadores y transformadores que forman la base de la tecnología moderna. Al comprender y utilizar la inducción, tenemos una red eléctrica y muchas de las cosas que conectamos.

La ley de Faraday se incorporó más tarde a las ecuaciones más completas de Maxwell, según Michael Dubson, profesor de física en la Universidad de Colorado Boulder. Las ecuaciones de Maxwell fueron desarrolladas por el físico escocés James Clerk Maxwell para explicar la relación entre la electricidad y el magnetismo, esencialmente uniéndolos en una única fuerza electromagnética y describiendo las ondas electromagnéticas que forman las ondas de radio, luz visible y rayos X.

Electricidad

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, según el Instituto de Tecnología de Rochester. Aunque es difícil describir lo que realmente es, estamos muy familiarizados con su comportamiento e interacción con otros cargos y campos. El campo eléctrico de una carga puntual localizada es relativamente simple, según Serif Uran, profesor de física en la Universidad Estatal de Pittsburg. Él lo describe como irradiando por igual en todas las direcciones, como la luz de una bombilla desnuda, y disminuyendo en intensidad al cuadrado inverso de la distancia (1 /r2), de acuerdo con la Ley de Coulomb. Cuando te mueves dos veces más lejos, la intensidad de campo disminuye a un cuarto, y cuando te mueves tres veces más lejos, disminuye a un noveno.

Los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa. Sin embargo, la mayoría de los protones están inmovilizados dentro de los núcleos atómicos, por lo que el trabajo de llevar la carga de un lugar a otro es manejado por electrones. Los electrones en un material conductor, como un metal, son en gran parte libres de moverse de un átomo a otro a lo largo de sus bandas de conducción, que son las órbitas electrónicas más altas. Una suficiente fuerza electromotriz (emf), o voltaje, produce un desequilibrio de carga que puede hacer que los electrones se muevan a través de un conductor desde una región de carga más negativa a una región de carga más positiva. Este movimiento es lo que reconocemos como una corriente eléctrica.

Magnetismo

Para entender la Ley de Inducción de Faraday, es importante tener una comprensión básica de los campos magnéticos. Comparado con el campo eléctrico, el campo magnético es más complejo. Si bien las cargas eléctricas positivas y negativas pueden existir por separado, los polos magnéticos siempre vienen en pares, uno al norte y otro al sur, según la Universidad Estatal de San José. Por lo general, los imanes de todos los tamaños, desde partículas subatómicas hasta imanes de tamaño industrial hasta planetas y estrellas, son dipolos, lo que significa que cada uno tiene dos polos. Llamamos a estos polos norte y sur después de la dirección en la que apuntan las agujas de la brújula. Curiosamente, dado que los polos opuestos se atraen y los polos similares se repelen, el polo norte magnético de la Tierra es en realidad un polo magnético sur porque atrae los polos norte de las agujas de la brújula.

Un campo magnético se representa a menudo como líneas de flujo magnético. En el caso de una barra magnética, las líneas de flujo salen del polo norte y se curvan para volver a entrar en el polo sur. En este modelo, el número de líneas de flujo que pasan a través de una superficie dada en el espacio representa la densidad de flujo, o la fuerza del campo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que esto es sólo un modelo. Un campo magnético es suave y continuo y en realidad no consiste en líneas discretas.

Líneas de campo magnético de una barra imán.

Líneas de campo magnético de una barra imán.

Crédito: snapgalleria Shutterstock

El campo magnético de la Tierra produce una tremenda cantidad de flujo magnético, pero se dispersa en un enorme volumen de espacio. Por lo tanto, solo una pequeña cantidad de flujo pasa a través de un área determinada, lo que resulta en un campo relativamente débil. En comparación, el flujo de un imán de refrigerador es pequeño en comparación con el de la Tierra, pero su intensidad de campo es muchas veces más fuerte a corta distancia donde sus líneas de flujo son mucho más densas. Sin embargo, el campo rápidamente se vuelve mucho más débil a medida que te alejas.

Inducción

Si ejecutamos una corriente eléctrica a través de un cable, producirá un campo magnético alrededor del cable. La dirección de este campo magnético puede ser determinada por la regla de la mano derecha. De acuerdo con el departamento de física de la Universidad Estatal de Buffalo en Nueva York, si extiendes el pulgar y lo doblas de la mano derecha, el pulgar apunta en la dirección positiva de la corriente y los dedos se enrollan en la dirección norte del campo magnético.

Reglas de la mano izquierda y la mano derecha para un campo magnético debido a una corriente en un cable recto.

Reglas de la mano izquierda y la mano derecha para un campo magnético debido a una corriente en un cable recto.

Crédito: Fouad A. Saad Shutterstock

Si dobla el cable en un bucle, las líneas del campo magnético se doblarán con él, formando un toroide o forma de rosquilla. En este caso, su pulgar apunta en la dirección norte del campo magnético que sale del centro del bucle, mientras que sus dedos apuntarán en la dirección positiva de la corriente en el bucle.

En un bucle circular con corriente, (a) la regla de la mano derecha da la dirección del campo magnético dentro y fuera del bucle. (b) Mapeo más detallado del campo, que es similar al de un imán de barra.

En un bucle circular con corriente, (a) la regla de la mano derecha da la dirección del campo magnético dentro y fuera del bucle. (b) Mapeo más detallado del campo, que es similar al de un imán de barra.

Crédito: OpenStax

Si corremos una corriente a través de un bucle de alambre en un campo magnético, la interacción de estos campos magnéticos ejercerá una fuerza de torsión, o par, en el bucle que lo hace girar, según el Instituto de Tecnología de Rochester. Sin embargo, solo girará hasta que los campos magnéticos estén alineados. Si queremos que el bucle continúe girando, tenemos que invertir la dirección de la corriente, lo que invertirá la dirección del campo magnético del bucle. El bucle girará 180 grados hasta que su campo se alinee en la otra dirección. Esta es la base para el motor eléctrico.

Por el contrario, si giramos un bucle de cable en un campo magnético, el campo inducirá una corriente eléctrica en el cable. La dirección de la corriente se invertirá cada media vuelta, produciendo una corriente alterna. Esta es la base para el generador eléctrico. Cabe señalar aquí que no es el movimiento del cable, sino la apertura y el cierre del bucle con respecto a la dirección del campo lo que induce la corriente. Cuando el bucle está de frente al campo, la cantidad máxima de flujo pasa a través del bucle. Sin embargo, cuando el bucle se pone de lado al campo, ninguna línea de flujo pasa a través del bucle. Es este cambio en la cantidad de flujo que pasa a través del bucle que induce la corriente.

Otro experimento que podemos realizar es formar un cable en un bucle y conectar los extremos a un medidor de corriente sensible, o galvanómetro. Si luego empujamos una barra magnética a través del bucle, la aguja en el galvanómetro se moverá, indicando una corriente inducida. Sin embargo, una vez que detenemos el movimiento del imán, la corriente vuelve a cero. El campo del imán solo inducirá una corriente cuando está aumentando o disminuyendo. Si retiramos el imán, nuevamente inducirá una corriente en el cable, pero esta vez será en la dirección opuesta.

Imán en un bucle de alambre conectado a un galvanómetro.

Imán en un bucle de alambre conectado a un galvanómetro.

Crédito: Fouad A. Saad Shutterstock

Si pusiéramos una bombilla en el circuito, disiparía la energía eléctrica en forma de luz y calor, y sentiríamos resistencia al movimiento del imán cuando lo movíamos dentro y fuera del circuito. Para mover el imán, tenemos que hacer un trabajo que sea equivalente a la energía que utiliza la bombilla.

En otro experimento, podríamos construir dos bucles de cable, conectar los extremos de uno a una batería con un interruptor y conectar los extremos del otro bucle a un galvanómetro. Si colocamos los dos bucles cerca uno del otro en una orientación cara a cara, y conectamos la alimentación al primer bucle, el galvanómetro conectado al segundo bucle indicará una corriente inducida y luego volverá rápidamente a cero.

Lo que está sucediendo aquí es que la corriente en el primer bucle produce un campo magnético, que a su vez induce una corriente en el segundo bucle, pero solo por un instante cuando el campo magnético está cambiando. Cuando apague el interruptor, el medidor se desviará momentáneamente en la dirección opuesta. Esta es otra indicación de que es el cambio en la intensidad del campo magnético, y no su fuerza o movimiento lo que induce la corriente.

La explicación de esto es que un campo magnético hace que los electrones de un conductor se muevan. Este movimiento es lo que conocemos como corriente eléctrica. Sin embargo, eventualmente, los electrones alcanzan un punto en el que están en equilibrio con el campo, momento en el que dejarán de moverse. Luego, cuando se elimina o se apaga el campo, los electrones regresarán a su ubicación original, produciendo una corriente en la dirección opuesta.

A diferencia de un campo eléctrico o gravitacional, un campo dipolo magnético es una estructura tridimensional más compleja que varía en intensidad y dirección según la ubicación donde se mide, por lo que requiere un cálculo para describirlo completamente. Sin embargo, podemos describir un caso simplificado de un campo magnético uniforme, por ejemplo, una sección muy pequeña de un campo muy grande, comosegundo = licenciado en Letras, donde Φsegundo es el valor absoluto del flujo magnético, segundo es la fuerza del campo, y UNA Es un área definida a través de la cual pasa el campo. A la inversa, en este caso, la fuerza de un campo magnético es el flujo por unidad de área, o segundo = Φsegundo/UNA.

Ley de Faraday

Ahora que tenemos una comprensión básica del campo magnético, estamos listos para definir la Ley de Inducción de Faraday. Establece que la tensión inducida en un circuito es proporcional a la tasa de cambio a lo largo del tiempo del flujo magnético a través de ese circuito. En otras palabras, cuanto más rápido cambie el campo magnético, mayor será el voltaje en el circuito. La dirección del cambio en el campo magnético determina la dirección de la corriente.

Podemos aumentar el voltaje aumentando el número de bucles en el circuito. El voltaje inducido en una bobina con dos bucles será el doble que con un bucle, y con tres bucles será triple. Esta es la razón por la cual los motores y generadores reales suelen tener un gran número de bobinas.

En teoría, los motores y los generadores son los mismos. Si enciende un motor, generará electricidad y, al aplicar voltaje a un generador, hará que gire. Sin embargo, la mayoría de los motores y generadores reales están optimizados para una sola función.

Transformadores

Otra aplicación importante de la Ley de Inducción de Faraday es el transformador, inventado por Nikola Tesla. En este dispositivo, la corriente alterna, que cambia la dirección muchas veces por segundo, se envía a través de una bobina envuelta alrededor de un núcleo magnético.Esto produce un campo magnético cambiante en el núcleo, que a su vez induce una corriente en la segunda bobina envuelta alrededor de una parte diferente del mismo núcleo magnético.

Diagrama de transformador

Diagrama de transformador

Crédito: photoiconix Shutterstock

La relación del número de vueltas en las bobinas determina la relación de la tensión entre la corriente de entrada y salida. Por ejemplo, si tomamos un transformador con 100 giros en el lado de entrada y 50 giros en el lado de salida, y ingresamos una corriente alterna a 220 voltios, la salida será de 110 voltios. Según Hyperphysics, un transformador no puede aumentar la potencia, que es el producto del voltaje y la corriente, por lo que si el voltaje aumenta, la corriente se reduce proporcionalmente y viceversa. En nuestro ejemplo, una entrada de 220 voltios a 10 amps, o 2,200 vatios, produciría una salida de 110 voltios a 20 amps, de nuevo, 2,200 vatios. En la práctica, los transformadores nunca son perfectamente eficientes, pero un transformador bien diseñado generalmente tiene una pérdida de potencia de solo un pequeño porcentaje, según la Universidad de Texas.

Los transformadores hacen posible la red eléctrica de la que dependemos para nuestra sociedad industrial y tecnológica. Las líneas de transmisión a través del país operan a cientos de miles de voltios para transmitir más energía dentro de los límites de corriente de los cables. Este voltaje se reduce repetidamente usando transformadores en las subestaciones de distribución hasta que llega a su casa, donde finalmente se reduce a 220 y 110 voltios que pueden hacer funcionar su estufa eléctrica y su computadora.

Recursos adicionales

  • Universidad de Colorado: simulación interactiva de la ley de Faraday
  • Universidad de Texas: Electromagnetismo y Óptica
  • Científicos famosos: Michael Faraday


Suplemento De Vídeo: Ley de Faraday- Inducción Electromagnética.




Investigación


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