Inducción Electromagnética-Resumen

Departamento de Física y Química

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Oersted descubrió que las corrientes eléctricas producían campos magnéticos

¿Podrían los campos magnéticos producir corrientes eléctricas?

Michael Faraday en Londres y Joseph Henry en New York descubrieron que en un circuito cerrado expuesto a un campo magnético variable, o bien en un circuito cerrado en movimiento respecto a un campo magnético estático se producían corriente eléctricas. Este fenómeno se llama inducción electromagnética.

  • Movimiento de un imán en el interior de una bobina
    Si introducimos un imán recto en una bobina, mientras el imán está en movimiento, la aguja del galvanómetro se desvía, poniendo en manifiesto que esta pasado una corriente eléctrica por la bobina. Si el imán se mueve alejándose de la bobina el galvanómetro se desvía nuevamente pero en sentido contrario, lo que quiere decir que la corriente en la bobina ahora es de sentido contrario.
  • Movimiento de una espira alrededor de un imán
    Si mantenemos fijo el imán y movemos la bobina acercádola o alejándola de los polos del imán observaremos también que la aguja del galvanómetro se desvía, lo que pone de manifiesto que esta pasado una corriente eléctrica por la bobina cuyo sentido será diferente si la acercamos o alejamos del imán.

Magnitudes

Flujo magnético

Es una magnitud relacionada con el número de líneas de campo que atraviesan una superficie. Se representa con la letra griega Φ, para un campo magnético constante y una superficie plana de área S, el flujo magnético se calcula

\Phi = |\vec{S}| \cdot |\vec{B}| cos \theta

El vector superficie \vec{S} es un vector que tiene por módulo el área de la superficie y su dirección es perpendicular al plano que la contiene.

La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb.

Fuerza electromotriz

Para mantener una corriente eléctrica es necesaria energía.

Se denomina fuerza electromotriz (fem) a la energía por unidad de carga que cualquier medio o dispositivo aporta para producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Voltio.

Ley de Faraday-Lenz

\epsilon = -\frac{d\Phi}{dt}

Ley de Faraday de la inducción

La fuerza electromotriz inducida es directamente proporcional a la rapidez con que varía el flujo magnético que atraviesa el circuito.

Ley de Lenz

Las corrientes inducidas serán de un sentido tal que originen un flujo magnético opuesto a la variación del flujo magnético que las produjo. O, lo que es lo mismo, la corriente inducida tiende a mantener el flujo magnético original que atravesaba el circuito.

El signo negativo que aparece en la ecuación el es que representa esa oposición a que varíe el flujo.

Generadores

Un generador de corriente es un dispositivo que aprovecha la energía cinética para producir corrientes eléctricas. En su forma más simple, consiste en una bobina que mediante fuerzas externas se hace rotar en el seno de un campo magnético.

Si la bobina está formada por N espiras la fem inducida será

\epsilon=-N\,\frac{d\Phi}{dt}=-N\,\frac{d}{dt}(B\, S\, cos\,\theta)

Si la bobina gira con una velocidad angular ω , el ángulo θ que formarán \vec{B} y \vec{S} se puede expresar (suponiendo que para t = 0, θ=0), θ=ωt . Y la fem:

\epsilon=-N\,\frac{d}{dt}(B\, S\, cos\,\omega t)=N\, B\, S\,\omega\, sen\,\omega t

La fem varía de forma sinusoidal, siendo su máximo valor

\epsilon_{max}=N\, B\, S\,\omega

Que se alcanza si θ=ωt vale 0º ó 180º, cuando \vec{B} es perpendicular al plano de las espiras.

Autoinducción

Cuando por un circuito circula una corriente se crea a su alrededor un campo magnético. Si varía la intensidad de la corriente, dicho campo también variará y, por la Ley de Faraday de la inducción, en el circuito se producirá una fem inducida que denominaremos fuerza electromotriz autoinducida.

Según la ley de Lenz, el sentido de la corriente autoinducida será el mismo que el de la corriente inicial si la autoinducción se produce por una disminución de la intensidad, o contrario si la causa es un aumento.

Transformadores

Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. Son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro.

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (\epsilon_p), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (\epsilon_s), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .

\frac{\epsilon_p}{\epsilon_s}=\frac{N_p}{N_s}

Los transformadores se emplean en las subestaciones eléctricas de la redes de transporte de energía eléctrica. Con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule, debidas a la resistencia de los conductores, para transportar la electricidad a larga distancia se emplean transformadores que elevan la ddp de la corriente que se genera en las centrales eléctricas. Cuando llega a su destino es necesario volver a utilizar transformadores para reducir dichas ddp y adapatarlas a las de utilización en domicilios o industrias.

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