La inducción electromagnética o magnética es la producción de una fuerza electromotriz a través de un conductor eléctrico en un campo magnético cambiante .
A Michael Faraday se le atribuye generalmente el descubrimiento de la inducción en 1831, y James Clerk Maxwell la describió matemáticamente como la ley de inducción de Faraday . La ley de Lenz describe la dirección del campo inducido. La ley de Faraday se generalizó más tarde para convertirse en la ecuación de Maxwell-Faraday, una de las cuatro ecuaciones de Maxwell en su teoría del electromagnetismo .
La inducción electromagnética ha encontrado muchas aplicaciones, incluidos componentes eléctricos como inductores y transformadores , y dispositivos como motores y generadores eléctricos .
Historia
La inducción electromagnética fue descubierta por Michael Faraday , publicado en 1831. [3] [4] Fue descubierto de forma independiente por Joseph Henry en 1832. [5] [6]
En la primera demostración experimental de Faraday (29 de agosto de 1831), envolvió dos cables alrededor de los lados opuestos de un anillo de hierro o " toro " (una disposición similar a un transformador toroidal moderno ). [ cita requerida ] Basado en su comprensión de los electroimanes, esperaba que, cuando la corriente comenzara a fluir en un cable, una especie de onda viajaría a través del anillo y causaría algún efecto eléctrico en el lado opuesto. Conectó un cable a un galvanómetro y lo observó mientras conectaba el otro cable a una batería. Vio una corriente transitoria, a la que llamó "onda de electricidad", cuando conectó el cable a la batería y otra cuando la desconectó. [7] Esta inducción se debió al cambio en el flujo magnético que se produjo cuando se conectó y desconectó la batería. [2] En dos meses, Faraday encontró varias otras manifestaciones de inducción electromagnética. Por ejemplo, vio corrientes transitorias cuando rápidamente deslizó una barra magnética dentro y fuera de una bobina de cables, y generó una corriente constante ( CC ) al girar un disco de cobre cerca de la barra magnética con un cable eléctrico deslizante (" Disco de Faraday "). [8]
Faraday explicó la inducción electromagnética utilizando un concepto que llamó líneas de fuerza . Sin embargo, los científicos de la época rechazaron ampliamente sus ideas teóricas, principalmente porque no estaban formuladas matemáticamente. [9] Una excepción fue James Clerk Maxwell , quien utilizó las ideas de Faraday como base de su teoría electromagnética cuantitativa. [9] [10] [11] En el modelo de Maxwell, el aspecto variable en el tiempo de la inducción electromagnética se expresa como una ecuación diferencial, a la que Oliver Heaviside se refirió como ley de Faraday, aunque es ligeramente diferente de la formulación original de Faraday y no describe EMF. La versión de Heaviside (ver la ecuación de Maxwell-Faraday más abajo ) es la forma reconocida hoy en el grupo de ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell .
En 1834, Heinrich Lenz formuló la ley que lleva su nombre para describir el "flujo a través del circuito". La ley de Lenz da la dirección de la EMF inducida y la corriente resultante de la inducción electromagnética.
Teoría
Ley de inducción de Faraday y ley de Lenz
La ley de inducción de Faraday hace uso del flujo magnético Φ B a través de una región del espacio encerrada por un bucle de alambre. El flujo magnético está definido por una integral de superficie : [12]
donde d A es un elemento de la superficie Σ encerrado por el bucle de alambre, B es el campo magnético. El producto escalar B · d A corresponde a una cantidad infinitesimal de flujo magnético. En términos más visuales, el flujo magnético a través del bucle de alambre es proporcional al número de líneas de flujo magnético que pasan a través del bucle.
Cuando cambia el flujo a través de la superficie, la ley de inducción de Faraday dice que el bucle del cable adquiere una fuerza electromotriz (EMF). [nota 1] La versión más extendida de esta ley establece que la fuerza electromotriz inducida en cualquier circuito cerrado es igual a la tasa de cambio del flujo magnético encerrado por el circuito: [16] [17]
- ,
dónde es el EMF y Φ B es el flujo magnético . La dirección de la fuerza electromotriz viene dada por la ley de Lenz que establece que una corriente inducida fluirá en la dirección que se opondrá al cambio que la produjo. [18] Esto se debe al signo negativo de la ecuación anterior. Para aumentar la EMF generada, un enfoque común es aprovechar el enlace de flujo mediante la creación de una bobina de alambre enrollada firmemente , compuesta de N vueltas idénticas, cada una con el mismo flujo magnético que las atraviesa. El EMF resultante es entonces N veces el de un solo cable. [19] [20]
La generación de un campo electromagnético a través de una variación del flujo magnético a través de la superficie de un bucle de alambre se puede lograr de varias maneras:
- el campo magnético B cambia (por ejemplo, un campo magnético alterno o el movimiento de un bucle de alambre hacia una barra magnética donde el campo B es más fuerte),
- el bucle de alambre se deforma y la superficie Σ cambia,
- la orientación de la superficie d A cambia (por ejemplo, girando un bucle de alambre en un campo magnético fijo),
- Cualquier combinación de las anteriores
Ecuación de Maxwell-Faraday
En general, la relación entre los EMF en un bucle de alambre que rodea una superficie Σ, y el campo eléctrico E en el alambre está dado por
donde d ℓ es un elemento de contorno de la superficie Σ, combinando esto con la definición de flujo
podemos escribir la forma integral de la ecuación de Maxwell-Faraday
Es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell y, por tanto, juega un papel fundamental en la teoría del electromagnetismo clásico .
Ley de Faraday y relatividad
La ley de Faraday describe dos fenómenos diferentes: el EMF de movimiento generado por una fuerza magnética en un cable en movimiento (ver fuerza de Lorentz ), y el EMF del transformador, esto es generado por una fuerza eléctrica debido a un campo magnético cambiante (debido a la forma diferencial del Ecuación de Maxwell-Faraday ). James Clerk Maxwell llamó la atención sobre los fenómenos físicos separados en 1861. [21] [22] Se cree que este es un ejemplo único en física de donde se invoca una ley tan fundamental para explicar dos fenómenos tan diferentes. [23]
Albert Einstein notó que las dos situaciones correspondían a un movimiento relativo entre un conductor y un imán, y el resultado no se veía afectado por cuál se estaba moviendo. Este fue uno de los principales caminos que lo llevaron a desarrollar la relatividad especial . [24]
Aplicaciones
Los principios de la inducción electromagnética se aplican en muchos dispositivos y sistemas, que incluyen:
- Pinza de corriente
- Generadores electricos
- Formación electromagnética
- Tableta gráfica
- De efecto Hall metros
- Cocción por inducción
- Motores de inducción
- Sellado por inducción
- Soldadura por inducción
- Carga inductiva
- Inductores
- Caudalímetros magnéticos
- Linterna accionada mecánicamente
- Camionetas
- Anillo Rowland
- Estimulación magnética transcraneal
- Transformadores
- Transferencia de energía inalámbrica
Generador eléctrico
El EMF generado por la ley de inducción de Faraday debido al movimiento relativo de un circuito y un campo magnético es el fenómeno subyacente a los generadores eléctricos . Cuando un imán permanente se mueve en relación con un conductor, o viceversa, se crea una fuerza electromotriz. Si el cable está conectado a través de una carga eléctrica , la corriente fluirá y, por lo tanto, se generará energía eléctrica , convirtiendo la energía mecánica del movimiento en energía eléctrica. Por ejemplo, el generador de batería se basa en la figura de la parte inferior derecha. Una implementación diferente de esta idea es el disco de Faraday , que se muestra en forma simplificada a la derecha.
En el ejemplo del disco de Faraday, el disco gira en un campo magnético uniforme perpendicular al disco, lo que hace que fluya una corriente en el brazo radial debido a la fuerza de Lorentz. Se necesita trabajo mecánico para impulsar esta corriente. Cuando la corriente generada fluye a través del borde conductor, esta corriente genera un campo magnético a través de la ley circuital de Ampère (etiquetada como "B inducida" en la figura). El borde se convierte así en un electroimán que resiste la rotación del disco (un ejemplo de la ley de Lenz ). En el lado opuesto de la figura, la corriente de retorno fluye desde el brazo giratorio a través del lado opuesto del borde hasta el cepillo inferior. El campo B inducido por esta corriente de retorno se opone al campo B aplicado, tendiendo a disminuir el flujo a través de ese lado del circuito, oponiéndose al aumento de flujo debido a la rotación. En el lado cercano de la figura, la corriente de retorno fluye desde el brazo giratorio a través del lado cercano del borde hasta el cepillo inferior. El campo B inducido aumenta el flujo en este lado del circuito, oponiéndose a la disminución del flujo debido a r la rotación. La energía requerida para mantener el disco en movimiento, a pesar de esta fuerza reactiva, es exactamente igual a la energía eléctrica generada (más la energía desperdiciada debido a la fricción , el calentamiento Joule y otras ineficiencias). Este comportamiento es común a todos los generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica.
Transformador electrico
Cuando cambia la corriente eléctrica en un bucle de alambre, la corriente cambiante crea un campo magnético cambiante. Un segundo cable al alcance de este campo magnético experimentará este cambio en el campo magnético como un cambio en su flujo magnético acoplado, d Φ B / dt . Por lo tanto, se establece una fuerza electromotriz en el segundo bucle denominada EMF inducida o EMF del transformador. Si los dos extremos de este bucle están conectados a través de una carga eléctrica, fluirá corriente.
Pinza de corriente
Una pinza amperimétrica es un tipo de transformador con un núcleo dividido que puede separarse y sujetarse a un cable o bobina para medir la corriente en él o, a la inversa, para inducir un voltaje. A diferencia de los instrumentos convencionales, la pinza no hace contacto eléctrico con el conductor ni requiere que se desconecte durante la fijación de la pinza.
Medidor de flujo magnético
La ley de Faraday se utiliza para medir el flujo de líquidos y lodos conductores de electricidad. Estos instrumentos se denominan caudalímetros magnéticos. El voltaje inducido ℇ generado en el campo magnético B debido a un líquido conductor que se mueve a una velocidad v viene dado por:
donde ℓ es la distancia entre electrodos en el medidor de flujo magnético.
Corrientes de Foucault
Los conductores eléctricos que se mueven a través de un campo magnético estable, o los conductores estacionarios dentro de un campo magnético cambiante, tendrán corrientes circulares inducidas en su interior por inducción, llamadas corrientes parásitas . Las corrientes de Foucault fluyen en bucles cerrados en planos perpendiculares al campo magnético. Tienen aplicaciones útiles en frenos de corrientes parásitas y sistemas de calentamiento por inducción. Sin embargo, las corrientes parásitas inducidas en los núcleos magnéticos metálicos de los transformadores y los motores y generadores de CA son indeseables, ya que disipan energía (llamadas pérdidas del núcleo ) en forma de calor en la resistencia del metal. Los núcleos de estos dispositivos utilizan varios métodos para reducir las corrientes parásitas:
- Los núcleos de electroimanes y transformadores de corriente alterna de baja frecuencia, en lugar de ser de metal sólido, a menudo están hechos de pilas de láminas de metal, llamadas laminaciones , separadas por recubrimientos no conductores. Estas delgadas placas reducen las indeseables corrientes parásitas de Foucault, como se describe a continuación.
- Los inductores y transformadores que se utilizan a frecuencias más altas a menudo tienen núcleos magnéticos hechos de materiales magnéticos no conductores, como ferrita o polvo de hierro, que se mantienen unidos con un aglutinante de resina.
Laminaciones electromagnéticas
Las corrientes de Foucault se producen cuando una masa metálica sólida gira en un campo magnético, porque la parte exterior del metal corta más líneas de fuerza magnéticas que la parte interior; por tanto, la fuerza electromotriz inducida no es uniforme; esto tiende a provocar corrientes eléctricas entre los puntos de mayor y menor potencial. Las corrientes de Foucault consumen una cantidad considerable de energía y a menudo provocan un aumento dañino de la temperatura. [25]
En este ejemplo solo se muestran cinco laminaciones o placas, para mostrar la subdivisión de las corrientes de Foucault. En el uso práctico, el número de laminaciones o perforaciones varía de 40 a 66 por pulgada (16 a 26 por centímetro) y reduce la pérdida por corrientes de Foucault hasta aproximadamente el uno por ciento. Si bien las placas se pueden separar mediante aislamiento, el voltaje es tan bajo que el revestimiento natural de óxido / óxido de las placas es suficiente para evitar el flujo de corriente a través de las laminaciones. [25]
Se trata de un rotor de aproximadamente 20 mm de diámetro de un motor de CC que se utiliza en un reproductor de CD. Tenga en cuenta las laminaciones de las piezas polares del electroimán, utilizadas para limitar las pérdidas inductivas parásitas.
Inducción parasitaria dentro de conductores
En esta ilustración, un conductor de barra de cobre sólido en una armadura giratoria pasa por debajo de la punta de la pieza polar N del imán de campo. Note la distribución desigual de las líneas de fuerza a través de la barra de cobre. El campo magnético está más concentrado y por lo tanto más fuerte en el borde izquierdo de la barra de cobre (a, b) mientras que el campo es más débil en el borde derecho (c, d). Dado que los dos bordes de la barra se mueven con la misma velocidad, esta diferencia en la intensidad de campo a través de la barra crea espirales o remolinos de corriente dentro de la barra de cobre. [25]
Los dispositivos de alta frecuencia industrial, como motores eléctricos, generadores y transformadores, utilizan varios conductores pequeños en paralelo para romper los flujos parásitos que se pueden formar dentro de los grandes conductores sólidos. El mismo principio se aplica a los transformadores que se utilizan a una frecuencia superior a la de potencia, por ejemplo, los que se utilizan en fuentes de alimentación conmutadas y los transformadores de acoplamiento de frecuencia intermedia de los receptores de radio.
Ver también
- Alternador
- Diafonía
- Paradoja de Faraday
- Inductancia
- Problema del conductor y el imán móvil
Referencias
Notas
- ^ El EMF es el voltaje que se mediría cortando el cable para crear un circuito abierto y conectando un voltímetro a los cables. Matemáticamente,se define como la energía disponible de una unidad de carga que ha viajado una vez alrededor del bucle de alambre. [13] [14] [15]
Referencias
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- ^ "La regla del flujo" es la terminología que Feynman usa para referirse a la ley que relaciona el flujo magnético con los campos electromagnéticos. Feynman, RP; Leighton, RB; Sands, ML (2006). Las Conferencias Feynman de Física, Volumen II . Pearson / Addison-Wesley . pag. 17-2. ISBN 0-8053-9049-9.
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- Traducido en Einstein, A. (1923). "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" (PDF) . El principio de relatividad . Jeffery, GB; Perret, W. (traducción). Londres: Methuen and Company .
- ^ a b c Las imágenes y el texto de referencia son del libro de dominio público: Hawkins Electrical Guide , Volumen 1, Capítulo 19: Teoría de la armadura, págs. 270-273, Copyright 1917 de Theo. Audel & Co., impreso en los Estados Unidos
Otras lecturas
- Maxwell, James Clerk (1881), Tratado sobre electricidad y magnetismo, vol. II , Capítulo III, §530, pág. 178. Oxford, Reino Unido: Clarendon Press. ISBN 0-486-60637-6 .
enlaces externos
- Medios relacionados con la inducción electromagnética en Wikimedia Commons
- Tankersley y Mosca: Presentación de la ley de Faraday
- Una simulación Java gratuita sobre EMF motional