Campo electromagnético · La inducción electromagnética
Generación de la fuerza electromotriz
Un celular que se carga sin cable, una tarjeta que se lee con solo acercarla al lector, el generador de una termoeléctrica como la Antonio Guiteras: en ninguno hay una pila conectada a la bobina donde aparece la corriente. ¿De dónde sale? La respuesta la encontró Faraday en 1831: de un flujo magnético que cambia.
El flujo magnético
Si sostienes un aro frente al aire de un ventilador, el aire que lo cruza depende de la rapidez del viento, del tamaño del aro y de si lo pones de frente o de perfil. Con el campo magnético pasa algo parecido: ¿cómo contamos cuántas líneas de campo atraviesan una espira?
Para 9.° grado basta con la idea: el flujo es «cuántas líneas de campo atraviesan la bobina». Si el imán se acerca o se aleja, esa cantidad cambia.
Ley de Faraday: la fem inducida
Un campo magnético que cambia produce un campo eléctrico en el espacio que lo rodea. Ese campo eléctrico empuja a las cargas del alambre y las pone en movimiento: por eso aparece una fem aunque no haya pila.
Esta es la ley de inducción electromagnética de Faraday. En el laboratorio se ve así: un imán en reposo dentro de una bobina no induce nada, pero un imán que entra o sale de la bobina hace que el galvanómetro se desvíe. Si mueves el imán más despacio, el flujo cambia más lentamente y la corriente medida es menor.
¿Por qué se multiplica por $N$? Cada espira de la bobina es un «generador» con la misma fem, y están conectadas en serie, así que las fem se suman.
Inducción entre dos bobinas
El flujo no cambia solo moviendo un imán. Si una bobina lleva corriente, produce un campo magnético, y una segunda bobina cercana (o enrollada en el mismo núcleo de hierro) queda atravesada por ese campo.
Con corriente constante en la primera bobina, el flujo en la segunda es constante: no hay fem.
Al cerrar el interruptor, la corriente (y su campo) pasa de $0$ a su valor: el flujo cambia y aparece una fem breve en la segunda bobina.
Al abrir el interruptor, la corriente cae a $0$: el flujo cambia en sentido contrario y aparece otra fem breve, de signo opuesto.
El núcleo de hierro dulce concentra el campo y hace que casi todo el flujo de la primera bobina atraviese la segunda. Esta idea es la base del transformador.
Ley de Lenz: el sentido de la corriente inducida
Si dejas caer un imán por un tubo vertical de cobre, cae con una lentitud sorprendente, como si flotara en miel, aunque el cobre no sea atraído por los imanes. ¿Qué ley explica que la corriente inducida frene el movimiento?
En 9.° grado basta con la idea cualitativa: al acercar o alejar el imán de la bobina, el flujo cambia y el galvanómetro se desvía.
Practica★☆☆Sin empezar
Se acerca el polo norte de un imán a una espira circular de cobre, mirando la espira desde el lado del imán, como se muestra en la figura. a) Según la ley de Lenz, ¿qué…
Se acerca el polo norte de un imán a una espira circular de cobre, mirando la espira desde el lado del imán, como se muestra en la figura.
a) Según la ley de Lenz, ¿qué polo magnético aparece en la cara de la espira que mira al imán? Justifica la respuesta.
b) ¿En qué sentido circula la corriente inducida vista desde el imán, horario o antihorario? Recuerda que una cara por la que la corriente circula en sentido antihorario se comporta como un polo norte.
Indica, justificando la respuesta en cada caso, en cuáles de estas situaciones se induce fuerza electromotriz en la bobina: Un imán en reposo en el interior de una…
Indica, justificando la respuesta en cada caso, en cuáles de estas situaciones se induce fuerza electromotriz en la bobina:
Un imán en reposo en el interior de una bobina.
Un imán que está entrando en la bobina.
Una bobina recorrida por una corriente continua constante, colocada junto a otra bobina.
El mismo par de bobinas del caso anterior, en el instante en que se abre el interruptor y la corriente se apaga.
Se aleja el polo sur de un imán de una bobina conectada a un galvanómetro, como se muestra en la figura. a) ¿Qué polo magnético aparece en la cara de la bobina próxima…
Se aleja el polo sur de un imán de una bobina conectada a un galvanómetro, como se muestra en la figura.
a) ¿Qué polo magnético aparece en la cara de la bobina próxima al imán mientras se aleja? Razona la respuesta con la ley de Lenz.
b) Si el imán se moviese más despacio, ¿el galvanómetro mediría más o menos corriente? ¿Qué ley lo explica?
Cuando el conductor forma parte de un circuito cerrado de resistencia $R$, la fem produce una corriente $I = \varepsilon/R$. Esa corriente circula por un conductor que está dentro de un campo magnético, así que sobre él actúa una fuerza magnética. Para un tramo de longitud $l$ perpendicular al campo:
$$F = I\,l\,B$$
Según la ley de Lenz, esta fuerza se opone al movimiento que provoca la inducción. Por eso, para mover el conductor a rapidez constante hay que aplicar una fuerza externa igual en magnitud y de sentido contrario a $F$. La potencia mecánica que aportas, $P = F\,v$, es la que se convierte en energía eléctrica (y en calor en la resistencia): $F\,v = I\,\varepsilon = I^2R$.
Carga inducida y corrientes de Foucault
Si haces oscilar una lámina maciza de cobre entre los polos de un electroimán apagado, se comporta como un péndulo normal. Al encender el electroimán, se detiene casi en seco. ¿Cómo hay corrientes de frenado en un bloque metálico sin cables ni conexiones?
Vuelve al principio: la corriente inducida no sale de la nada. Al mover el imán cambia el flujo en la bobina y se induce una fem; la energía eléctrica obtenida viene del trabajo mecánico que haces contra la fuerza magnética que predice la ley de Lenz. Lo mismo sucede en el generador de una termoeléctrica: el vapor mueve las turbinas y esa energía de movimiento se convierte en energía eléctrica.
Resumen
¡A practicar! 3 ejercicios de nivel fácil en este apartado