Title: Inducción electromagnética
Course: Física - 1º B.D. > Section: Fuerza magnética e inducción electromagnética

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?

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.

¿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.

¿Sabés lo que es la inducción electromagnética?

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.

¿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.

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, Φ_B. 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.

El flujo de campo magnético se determina:

Siendo:
- El módulo del campo magnético.
- El módulo del vector superficie, el área de la superficie considerada.

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

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 . m^2 = Wb (Weber)

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:

Ley de Faraday

donde:

- ε_i  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 (ε_i ) es el Voltio, V.

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:

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.

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.

En resumen:

Experimentos de inducción electromagnética

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

Ley de Faraday

Inducción electromagnética. Experimentos

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.

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

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.

Cómo se genera la energía eléctrica

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.

Cómo funciona un generador eléctrico

Algunas formas de generación de energía eléctrica

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

Generador hidroeléctrico

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.

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.

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.

¿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.

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

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.

El transformador eléctrico

Créditos

Bibliografía y sitios

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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.