INDUCCION ELECTROMAGNETICA

El fenómeno de la autoinducción y sus aplicaciones.

Trabajo realizado por Antonio Teruel, Miguel Martínez y Manuel Sotomayor.

Índice:

Marco teórico.

Objetivos del trabajo.

Flujo magnético a partir de variación de intensidad de corriente.

Fuerza electromotriz.

4.1 Ley de Faraday

4.2 Ley de Lenz

La inducción electromagnética.

5.1 Aparición de este fenómeno.

5.2 La inductancia como medida de la autoinducción.

Bobinas de inducción.

Aplicaciones de este fenómeno.

Conclusión.

Bibliografía.

Marco teórico.

Conocemos por electromagnetismo a la interacción entre las cargas eléctricas. Se describe en términos de cargas que interaccionan por medio de campos eléctricos y magnéticos. La teoría electromagnética nace de la síntesis efectuada por Maxwell de las teorías existentes sobre las fuerzas eléctricas y las fuerzas magnéticas, hasta entonces tratadas como fuerzas separadas aunque relacionadas.

En el electromagnetismo hay fuentes, que son las partículas que producen los campos. Estas fuentes son las cargas eléctricas y las corrientes eléctricas (más los dipolos magnéticos, responsables del magnetismo de algunos materiales, como el hierro). Estas fuentes producen dos campos, el campo eléctrico y el magnético, que a su vez pueden considerarse como dos aspectos del mismo campo electromagnético. Los dos campos actúan sobre las cargas y corrientes produciendo fuerzas sobre ellas y causando su movimiento (que a su vez modifica los campos eléctrico y magnético).

Así mismo, un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y viceversa, aunque no haya cargas ni corrientes presentes. Esta es la base de las ondas electromagnéticas, que se propagan por el espacio vacío.

Fueron las experiencias de Oersted, Ampère, Biot, Savart, Faraday y Henry, las que iniciaron el camino del estudio de la interacción electromagnética. A continuación, hablaremos sobre estas experiencias:

Experiencia de Oersted: en 1820, este científico observó que la aguja magnética se desvía siempre que pase una corriente por un cable cercano. Oersted llegó a la conclusión de que una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético. De esta forma, se demostró por primera vez que la Electricidad y el Magnetismo están relacionados, apareciendo como una nueva ciencia, el Electromagnetismo.

Experiencia de Ampère: adivinó que cada átomo de hierro contenía una corriente circulante, convirtiéndolo en un pequeño imán y que en un imán de hierro todos esos imanes magnéticos se alineaban en la misma dirección, permitiendo que sus fuerzas magnéticas se sumaran.

Experiencia de Biot y Savart: en 1820, estos dos científicos midieron las oscilaciones de una aguja imantada según la distancia a una corriente eléctrica rectilínea, comprobando así de manera empírica, que la fuerza producida por dicha corriente eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y directamente proporcional a la intensidad de la misma.

Experiencia de Faraday: establece que la tensión inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.

Experiencia de Henry: consistió en deslizar un conductor móvil sobre otro doblado en forma de U, situado en el seno de un campo magnético constante y perpendicular a la dirección del movimiento. Como consecuencia del movimiento (y de la presencia del campo magnético) aparece una fuerza de Lorenz sobre las cargas libres del conductor (electrones). Por tanto, las cargas negativas se desplazan hacia el extremo derecho del conductor móvil, mientras que en el izquierdo se acumularán las positivas creándose una diferencia de potencial entre ambos extremos que hará que comience a circular una corriente por el circuito.

Objetivos del trabajo.

Teniendo claro el concepto principal de “electromagnetismo”, a continuación estableceremos los objetivos que queremos conseguir en nuestro trabajo.

Lo primero de todo y más importante, entender el fenómeno que vamos a trabajar, el fenómeno de la autoinducción. Desarrollaremos este concepto y cada una de sus variantes para que consigamos asimilarlo.

En segundo lugar, queremos saber cuáles son las aplicaciones del fenómeno de la autoinducción en la vida moderna.

Flujo magnético a partir de variación de intensidad de corriente.

El fenómeno de la autoinducción se basa en un principio elemental del electromagnetismo, que es que una corriente eléctrica produce un campo magnético. Este principio fue puesto de manifiesto por el danés Hans Christian Oersted en 1820, cuando, mientras impartía clase en la Universidad de Copenhague, observó que al hacer pasar una corriente eléctrica por un hilo conductor que se encontraba sobre una brújula, la dirección de esta cambió y se orientó perpendicularmente al hilo.

Oersted, tras realizar varias observaciones, llegó a una conclusión: La orientación de la brújula indicaba que existía un campo magnético asociado a la corriente y el sentido de las agujas de la brújula dependía del de la intensidad de la corriente. Por tanto, se dedujo que una corriente eléctrica genera un campo magnético perpendicular a ella a su alrededor.

Más tarde, Jean Baptiste Biot y Félix Savart encontraron una expresión que relaciona el campo magnético creado por una corriente eléctrica cualquiera, esto se conoce como la ley de Biot y Savart, que enuncia lo siguiente:

El campo magnético se debe a los elementos de corriente, es decir, a la intensidad I que circula por un elemento de longitud dl. El campo magnético producido por un elemento de corriente I dl a una distancia r de un punto P tiene las siguientes propiedades:

Es directamente proporcional al elemento corriente que produce el campo.

El vector que lo caracteriza es perpendicular al elemento de corriente.

La expresión queda así:

De aquí se deduce que la variación de intensidad de un campo eléctrico genera una variación del campo magnético, o lo que es lo mismo, de su flujo magnético, entendido este como el número de líneas del campo magnético que atraviesan una superficie dada.

4. Generación de fuerza electromotriz.

Para comprender la generación de fuerza electromotriz a partir de un campo magnético variable, es necesario hacer un breve inciso en el fenómeno de la inducción.

Todo comenzó a principios del siglo XIX, el científico Michael Faraday se propuso convertir el magnetismo en electricidad. Faraday sabía que las bobinas ( conjunto de espiras arrolladas) por las que se hacía pasar una corriente eléctrica generaban un campo magnético parecido al de un imán.

Por tanto, dispuso dos bobinas superpuestas de modo que no contactaran entre sí. Una de ellas estaba conectada a una batería, la cual generaba corriente eléctrica. La otra no estaba conectada a ningún generador, solo a un galvanómetro que medía su corriente eléctrica. Faraday observó que la aguja del galvanómetro se movía cuando se inducía corriente eléctrica. Por tanto, dedujo que la variación de campo magnético de la primera bobina era lo que inducía corriente eléctrica en la segunda.

Más tarde, Faraday confirmaría sus sospechas al mover un imán cerca de la segunda bobina, observando que el galvanómetro indicaba inducción de corriente. Esto fue nombrado por Faraday como inducción electromagnética, es decir, el fenómeno que consiste en inducir una corriente eléctrica mediante un campo magnético variable.

4.1 Ley de Faraday.

Una corriente eléctrica se produce cuando existe una diferencia de potencial entre dos puntos. Esta corriente es creada por un generador, y la diferencia de potencial es denominada fuerza electromotriz. Según lo expuesto anteriormente, el generador es un campo magnético variable.

Faraday observó en sus experiencias que la corriente indicada por el galvanómetro era mayor cuanto más rápido se moviera el imán en torno a la bobina. De aquí se deduce que lo que varía en el movimiento relativo entre estos dos elementos es el flujo magnético que atraviesa la bobina.

Por tanto, Faraday dedujo que la corriente eléctrica es inducida debido a la variación del flujo magnético.

Como consecuencia, la fuerza electromotriz inducida depende de la rapidez con la que varía el flujo magnético. Esto es lo que formula la Ley de Faraday:

La fuerza electromotriz que da lugar a la corriente eléctrica

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