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Inducción electromagnética

Sitio: Aulas | Uruguay Educa
Curso: Física - 1º B.D.
Libro: Inducción electromagnética
Imprimido por: Invitado
Día: viernes, 22 de noviembre de 2024, 13:33

Tabla de contenidos

1. Campo magnético y corriente eléctrica

Anteriormente estudiamos que una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético. Surge entonces la siguiente pregunta:
¿un campo magnético, puede crear una corriente eléctrica?

¿un campo magnético, puede crear una corriente eléctrica?

Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry en Estados Unidos, encontraron en 1831 y de forma independiente que la respuesta a la pregunta es afirmativa. La generación de una corriente eléctrica a partir de un campo magnético variable se llama inducción electromagnética.
Previo a este hallazgo sólo se podía  generar corriente eléctrica mediante celdas o pilas voltaicas.
Este descubrimiento produjo el avance de las fábricas y mejoró la vida de las personas, convirtiendo a la electricidad en algo común.

2. ¿Cómo se genera corriente eléctrica a partir de un campo magnético?

En el siguiente video verás cómo podemos generar una corriente eléctrica en un conductor con un campo magnético.


3. Experimento con un simulador

Realizarás el experimento que se muestra en el video pero con un simulador.

  • Mueve el imán en las proximidades del solenoide y observa el movimiento de la aguja del voltímetro. El voltímetro mide la diferencia de potencial que se induce en los extremos del solenoide al mover el imán.
  • Si haces clic en Líneas de campo, te mostrará las líneas de campo magnético del imán. Mueve nuevamente el imán en las proximidades del solenoide y observa el movimiento de la aguja del voltímetro y la cantidad de líneas que atraviesan el solenoide.
  • Coloca el imán bien enfrente al solenoide, de modo que el imán pueda entrar y salir del enrollamiento de cables. Cambia la rapidez con la que mueves el imán y observa cómo se mueve la aguja del voltímetro si mueves lentamente, si mueves más rápido o si lo dejas quieto.
  • Coloca el solenoide de menor cantidad de vueltas y repite lo anterior.
  • ¿Qué te parece que ocurriría si en vez de mover el imán movieras el solenoide?
Crea una tabla para anotar tus observaciones.


4. ¿Qué variables influyen en la diferencia de potencial que se genera en el solenoide?

Las variables que influyen en la diferencia de potencial inducida en los extremos del solenoide.


La diferencia de potencial inducida en un solenoide depende de la cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan sus espiras, del número de espiras que tenga y de la rapidez con la que cambia el campo magnético en sus espiras.


4.1. Flujo magnético

Definiremos el flujo magnético para cuantificar la diferencia de potencial o fem inducida.

Se representa con la letra griega  Phi y se le agrega el subíndice B para indicar que es flujo magnético, ΦB. Es una magnitud escalar y su unidad de medida es el Weber, Wb.

Para poder entender el concepto de flujo, debemos considerar el vector superficie. Sus características son:
  • el módulo es igual al valor de la superficie considerada.
  • la dirección, perpendicular a dicha superficie como muestra la figura.
  • el sentido se elige arbitrariamente.

Superficie en la cual se ha indicado perpendicularmente a ella el vector superficie

El flujo de campo magnético se determina:


Ecuación de flujo magnético igual al producto del módulo de campo magnético por el módulo del vector superficie por el coseno del ángulo entre el vector campo magnético y el vector superficie.
Siendo:
módulo de campo magnético- El módulo del campo magnético.
módulo del vector superficie- El módulo del vector superficie, el área de la superficie considerada.

      α        - El ángulo entre el vector campo magnético y el vector superficie.

superficie atravesada por un campo magnético, se muestra el ángulo entre el vector superficie y el vector campo magnético.

Observar que si el ángulo α entre el campo magnético y el vector superficie es
  • 0º, el flujo magnético es máximo.
  • 90º, el flujo magnético es cero.

Unidad del flujo magnético, de la ecuación surge que T . m2 = Wb (Weber)

4.2. Ley de Faraday

La diferencia de potencial inducida o fem inducida en un solenoide depende de la cantidad de espiras del mismo y de la rapidez con la que cambia el flujo de campo magnético que atraviesa su superficie.

La rapidez con la que se modifica el flujo de campo magnético es: variación de flujo de campo magnético en un intervalo de tiempo.

Ley de Faraday

Ecuación de la Ley de Faraday: fem inducida es igual a menos N, número de vueltas del solenoide por el cociente entre la variación de flujo magnético en un intervalo de tiempo.

donde:

  • εi  es la fem inducida.
  • El signo de menos está relacionado con el sentido de la corriente inducida.
  • N es el número de espiras del solenoide.
  • ΔΦ es la variación de flujo de campo magnético.
  • Δt es el intervalo de tiempo.
Recuerda que la unidad de la diferencia de potencial (εi ) es el Voltio, V.


4.3. Sentido de la corriente inducida

La Ley de Faraday presenta un signo negativo en su expresión, relacionado con el sentido de la corriente inducida.

Para poder determinar el sentido de dicha corriente usaremos la Ley de Lenz:

El sentido de la corriente inducida electromagnéticamente en una espira, es tal que, el campo magnético que ella produce tiende a oponerse a la variación de flujo magnético que la atraviesa.


En la figura que sigue, se muestra un imán que se acerca a una espira. Se representaron algunas de las líneas de campo magnético del imán que atraviesan el área de la espira, esto provoca que el flujo de campo magnético aumente. Por lo tanto, en la espira se crea una corriente inducida tal, que el campo magnético generado por ella se opone al aumento del campo en su área, por tanto tiene sentido opuesto al del imán.

Para determinar el sentido de la corriente inducida se utiliza la regla de la mano derecha. El dedo pulgar apunta en el sentido del campo magnético inducido y el resto de los dedos rodea la espira indicando así el sentido de la corriente inducida en ella.

La imagen muestra un imán a la izquierda que se acerca a una espira, se muestra que las líneas de campo del imán atraviesan el área de la espira haciendo que el flujo de campo magnético aumente. En la espira se crea una corriente inducida tal, que el campo magnético generado por ella se opone al aumento del campo en su área, por tanto tiene sentido opuesto al que se acerca.



En la próxima figura, se muestra un imán que se aleja de una espira. En este caso el flujo de campo magnético disminuye en el área de la espira. Por lo tanto, la corriente inducida en la espira crea un campo magnético tal que se opone a la disminución del flujo magnético (provocada por el alejamiento del imán). El campo magnético inducido tiene en este caso, el mismo sentido que el campo del imán y la corriente inducida que determinamos con la regla de la mano derecha tiene sentido horario.

La imagen muestra un imán a la izquierda que se aleja de una espira, se muestra que las líneas de campo del imán atraviesan el área de la espira haciendo que el flujo de campo magnético disminuya. En la espira se crea una corriente inducida tal, que el campo magnético generado por ella se opone a la disminución del campo en su área, por tanto tiene igual sentido que el que se aleja.


En resumen:

Mapa mental variación de flujo magnético

5. Experimentos de inducción electromagnética

En los siguientes videos podrás revisar todo lo visto y una serie de experimentos interesantes.



6. Generador de corriente

La siguiente aplicación simula el cómo funciona un generador de corriente. Lee la introducción y observa cómo se genera la corriente alterna (sin conmutador, el sentido de la corriente varía) y la corriente continua (con conmutador, el sentido de la corriente no cambia). Haz clic sobre la imagen para verlo funcionando.

Captura de pantalla del simulador de Generador de corriente. Esta aplicación simula el funcionamiento de un generador de corriente elemental, mostrando simplificadamente sus partes más importantes para mayor claridad. En lugar de un armazón con un núcleo de hierro y muchos bobinados, hay una única espira conductora cuadrada girando alrededor de un eje, el cual no se dibuja. El botón selector de la esquina superior derecha permite seleccionar un generador AC (sin conmutador) o un generador DC (con conmutador). Se puede invertir la dirección de rotación utilizando el botón correspondiente. El control deslizante permite variar la velocidad de rotación. Mediante el botón "Pausa/Reanudar", se puede detener y continuar la similación. La detención no significa una parada real del movimiento puesto que, en este caso, el voltaje inducido sería cero. Dos flechas en negro marcan el sentido instantáneo del movimiento. Las líneas de campo magnético aparecen en azul, dirigiéndose desde el polo norte (pintado en rojo) hacia el polo sur (pintado en verde). Las flechas en rojo representan el sentido convencional de la corriente inducida.

https://www.walter-fendt.de/html5/phes/generator_es.htm

7. Generación de energía eléctrica

A partir del descubrimiento de Faraday y su Ley se puede generar corriente eléctrica en un conductor, transformando energía mecánica en energía eléctrica.

La energía eléctrica que llega a nuestros hogares es generada en su mayor parte utilizando la Ley de Faraday. Haciendo variar el flujo magnético en un conductor que se encuentra en el interior de un campo magnético.

En el video a continuación se muestran las diferentes formas de generar energía eléctrica, hasta el minuto 1:45 se explican las que utilizan la inducción electromagnética.

Como observaste en el video, el principio de generación de energía eléctrica a partir de la inducción es básicamente el mismo, se cuenta con un generador y "algo" que lo hace mover: el agua, el viento, vapor a presión.

En el próximo video te explica el funcionamiento del generador aplicando la Ley de Faraday.


7.1. Algunas formas de generación de energía eléctrica


Las imágenes te muestran las partes de algunos tipos de generadores.


Generador hidroeléctrico

partes de la turbina hidráulica


Generador eólico

Partes de un generador eólico


Generador nuclear




Observar que todos los dispositivos presentan una parte que se mueve bajo la acción del agua, del viento o del vapor a presión. La parte móvil genera el movimiento de un enrollamiento de conductores en el interior de un campo magnético. Esto provoca el cambio de flujo de campo magnético con respecto al tiempo, generándose de esta forma una diferencia de potencial inducida. Esta diferencia de potencial luego de varias transformaciones llega a nuestros hogares.
La generación térmica, es muy similar a la nuclear, pero como combustible para calentar el agua y generar el vapor se utiliza, carbón, gas oil, fuel oil, gas natural, etc.


8. Transformadores

El transformador es un dispositivo que se usa para aumentar o disminuir la diferencia de potencial en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia eléctrica. Esta transformación se basa en el fenómeno de inducción electromagnética. Muchos aparatos eléctricos utilizan transformadores y también son una parte fundamental de la distribución de la energía en las ciudades.

La figura muestra de forma esquemática cómo es el diseño de un transformador.
Esquema de un transformador

Es un dispositivo muy sencillo, está formado por un núcleo (generalmente de hierro) en el cual se enrollan dos bobinas, la primaria (que se muestra a la izquierda) y la secundaria (a la derecha). Estas bobinas se encuentran aisladas eléctricamente entre si, la única conexión entre ellas proviene del flujo magnético que se establece en el núcleo. La denominación primario y secundario se dan según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. Puede haber transformadores con más enrollmamientos, por ejemplo puede haber un terciario.

8.1. ¿Cómo funciona un transformador?

Si conectamos la bobina primaria a una batería, tenemos un Vp (voltaje primario) constante y por la bobina va a circular corriente continua. Esto va a crear un campo magnético en el interior de la bobina y eso va a generar que se magnetice el núcleo. Debido a esto en el interior de la bobina secundaria habrá un campo magnético creado por la primaria. En este caso el flujo de campo magnético es constante, debido a que la corriente que circula es continua, por lo tanto no habrá voltaje inducido en la bobina secundaria, y Vs va a ser cero.

En cambio, si conectamos la bobina primaria a una fuente de corriente alterna, de modo que en sus haya un Vp, el campo magnético en el núcleo sería variable. En consecuencia el flujo de campo magnético en el interior de la bobina secundaria estaría cambiando de forma periódica en el tiempo, lo que genera un voltaje inducido, Vs, en la bobina secundaria.

La relación matemática entre el voltaje primario y el secundario depende del número de espiras que tengan cada una de las bobinas.

ecuación voltaje primario dividido el voltaje secundario es igual al número de espiras del primario dividido el número de espiras del secundario

Siendo Ns y Np el número de espiras de las bobinas secundaria y primaria respectivamente.

Mapa mental transformador, si Np<Ns entonces Vp<Vs y se eleva el voltaje, pero si Np>Ns entonces Vp>Vs y se reduce el voltaje

Esquema transformador

En esta imagen el voltaje de salida, Vs, va a ser menor que el de entrada, Vp, porque Ns < Np y se estaría reduciendo el voltaje.


Por último, el video a continuación te resume todo lo visto de los transformadores.




9. Créditos

Bibliografía y sitios

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Simuladores

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Videos

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Autoría del Módulo: Silvia Pedreira.

spedreira@uruguayeduca.edu.uy

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Julio de 2020.