domingo, 5 de junio de 2011

Inducción electromagnética


Inducción electromagnética
Trabajo elaborado por: Karla Acosta García, Lucía Guadalupe Bolaños Álvarez, Liliana Ávila García y Jessica Ibarra  
 En 1825, Michael Faraday inició una serie de experimentos con el fin de comprobar si se podía obtener electricidad a partir del magnetismo. Después de una serie de intentos fallidos, debidamente registrados en su diario, el 29 de agosto de 1831 realizó un experimento con el que encontró una respuesta positiva  a la pregunta planteada[i]: Si una corriente eléctrica da origen a un campo magnético, ¿será posible el proceso inverso?

Faraday  :"Enrolló un alambre conductor alrededor de una parte de un aro de hierro formando la bobina Y y conectó sus extremos a un galvanómetro. En seguida enrolló otro alambre conductor al lado de la bobina anterior, a la que llamó bobina X, cuyos extremos fueron conectados a una batería." Es importante recalcar que las bobinas se encuentras físicamente separadas, es decir no hay contacto eléctrico entre ellas. Ver la siguiente figura.
Fíg. 1. Dispositivo experimental utilizado por Faraday
Faraday quiso demostrar que al cerrar el contacto de la batería mostrada en la figura 1,  empezaría a circular una corriente eléctrica a lo largo de la bobina X y de acuerdo a los resultados experimentales de Oersted y Ampere dicha corriente produce un efecto magnético a su alrededor. Este efecto magnético cruza la bobina X, y si era cierto que el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobina Y debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería poder detectarse por medio del galvanómetro, pero, sus experimentos demostraron que la aguja del galvanómetro no se movía, lo cual indicaba que por la bobina Y no circulaba corriente eléctrica. Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batería ocurría una pequeña desviación de la aguja del galvanómetro. También se percató de que en el momento en que desconectaba la batería, la aguja del galvanómetro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si hay corriente en la bobina Y.
Faraday concluyó que aunque un campo magnético constante no produce corriente en un conductor, un campo magnético "cambiante" es capaz de producir una corriente eléctrica. A dicha corriente se le conoce como "Corriente Inducida".
Cuando cambia el campo magnético a través de una bobina X, en Y se induce una corriente, como si hubiera una fuente de fuerza electromotriz en el circuito. Por lo tanto se dice que:
Un campo magnético variable induce una fuerza electromotriz (fem)
A este fenómeno Faraday le denomina Inducción  Electromagnética.
Poco después de este experimento, Faraday demostró que si se introducía un imán dentro de una bobina conductora se producía una corriente transitoria. Análogamente si en vez de meter el imán lo sacaba, se producía una corriente pero esta vez de sentido contrario al obtenido  cuando se introducía. Si el imán permanecía dentro de la bobina sin moverse, no se producía corriente. Resultaba claro que para producir una corriente el imán tenía que moverse en relación a la  bobina.
Fig.2. Movimiento de un imán dentro de una bobina
El profesor de física norteamericano Joseph Henry realizo importantes experimentos relacionados con el electromagnetismo,  en 1830 construyó un poderoso electroimán utilizando muchas vueltas de alambre delgado aislado alrededor de un núcleo de acero,  construyó uno de los primeros motores electromagnéticos y descubrió el fenómeno de la autoinducción, es decir, también descubrió el principio de la inducción electromagnética, pero debido a que tardó en dar a conocer sus trabajos, el crédito se le concedió a  Michael Faraday.  
Ley de Inducción de Faraday
Faraday investigó que factores influyen en la magnitud de la fem inducida. Encontró que entre más rápido cambia el campo magnético, mayor es la fem inducida en una espira de alambre. Pero la fem no es simplemente proporcional a la tasa de cambio del campo magnético,http://dsp-class.com/ryp/imagen/SimCampMag.gif; también depende del área y el ángulo de la espira. Esto es, la fem es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético, http://dsp-class.com/ryp/imagen/Fmagne.png, a través de la espira.
El flujo magnético http://dsp-class.com/ryp/imagen/Fmagne.png para un campo magnético uniforme a través de la superficie S de la espira se expresa por la relación:
http://dsp-class.com/ryp/imagen/FMUni.png


Aquí http://dsp-class.com/ryp/imagen/teta.png es el ángulo entre http://dsp-class.com/ryp/imagen/SimCampMag.gify una línea perpendicular a la cara de la espira.
Como se sabe, las líneas de http://dsp-class.com/ryp/imagen/SimCampMag.gif(como las líneas de http://dsp-class.com/ryp/imagen/VectorE.png)se pueden dibujar de tal modo que el número de líneas por unidad de área sea proporcional a la intensidad del campo. Entonces se puede pensar que http://dsp-class.com/ryp/imagen/Fmagne.pnges proporcional al número de líneas que pasan a través de la superficie encerrada por la espira. La unidad de flujo magnético es tesla por metro cuadrado, unidad que se conoce como Weber (Wb).
1 Wb = 1 T/m2
Con la definición de flujo ahora es posible escribir los resultados de las investigaciones de Faraday. Si el flujo magnético a través de una espira de alambre cambia una cantidad http://dsp-class.com/ryp/imagen/DeltaFM.png durante un muy breve intervalo de tiempo http://dsp-class.com/ryp/imagen/DeltaT.png, la fem inducida en este instante es:
http://dsp-class.com/ryp/imagen/FemIndInfini.png


Si el circuito contiene N espiras enrolladas muy juntas, se suman las fem individuales y resulta:  
http://dsp-class.com/ryp/imagen/FemIndInfiniN.png


donde ξ es la  fuerza electromotriz que se mide en voltios y ΦB es el flujo magnético, que está relacionado con el número de líneas de campo magnético que pasan a través de la superficie  delimitada por  el circuito eléctrico. La relación anterior se conoce como ley de Faraday expresa lo que observó en su experimento, la fuerza electromotriz inducida no es proporcional al valor del flujo magnético sino a su variación por unidad de tiempo.

La unidad de flujo magnético es el Weber, que equivale a un Tesla por metro cuadrado (1 T. m2). 
Ley de Lenz
El signo negativo que aparece en el término de la derecha está relacionado con la dirección de la fuerza electromotriz inducida que sigue el principio general denominado Ley de Lenz en honor del físico Heinrich Friedrich Lenz (1804 – 1865), y cuyo enunciado es: El sentido de la corriente, o fuerza electromotriz inducida, es tal que la variación del flujo magnético que produce siempre se opone a la variación del flujo magnético que la produce.

El experimento de la inducción electromagnética abrió el camino de la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica y estableció las bases teóricas para el inicio de la construcción de motores, generadores y transformadores eléctricos,  entre otros. Las grandes centrales eléctricas que generan la energía eléctrica en grandes cantidades tiene una importante contribución al desarrollo y bienestar de nuestra sociedad a nivel mundial.



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