FUNDAMENTO TERICOPRCTICA 6

INDUCCION ELECTROMGNETICA

Las corrientes elctricas son fuentes de campos magnticos. Sobre 1820 Oersted comprob que un cable recorrido por una intensidad de corriente continua produce un campo magntico en su entorno (detectado por ejemplo por el efecto que tiene sobre una aguja imantada). Dado que las corrientes elctricas producen campos magnticos, cabe plantearse igualmente si se produce el fenmeno inverso, es decir, si campos magnticos pueden producir corrientes elctricas.

En este sentido se llev a cabo una intensa labor experimental que pareca negar esa posibilidad. No obstante, los experimentos elaborados por M. Faraday (1791-1867) alrededor de 1830 permitieron establecer que la generacin de corriente elctrica en un circuito estaba relacionada con la variacin en el tiempo del flujo magntico que atravesaba dicho circuito. En consecuencia, campos magnticos nunca produciran corrientes elctricas en circuitos fijos.

Conviene recordar que debido al efecto Joule existe una disipacin de energa en las resistencias presentes en todos los circuitos reales, lo que implica que para mantener una corriente elctrica en el circuito es necesario un aporte continuo de energa.

La prdida de energa de los portadores de carga mviles en los choques con los tomos del material resistivo debe ser compensada por una fuerza externa impulsora sobre estos mismos portadores. Dado que el impulso sobre los portadores mviles puede estar localizado en una parte

del circuito o bien distribuido a lo largo de ste, la magnitud relevante es la integral de esta fuerza a lo largo de todo el circuito. De esta manera, se defini la fuerza electromotriz (FEM), E, como la fuerza tangencial por unidad de carga en el cable integrada sobre la longitud del circuito completo, esto es,

En consecuencia, la presencia de una intensidad de corriente elctrica en un circuito estar relacionada con la existencia de una fuente de FEM que la mantenga. El origen de la FEM puede ser diverso, de origen qumico en bateras y pilas, de origen mecnico en el generador de Van der Graff, de origen ptico en las clulas fotovoltacas, etc. De forma general podemos decir que el efecto de un generador de FEM es transformar algn tipo de energa en energa elctrica. En el caso de los experimentos realizados por Faraday, el mecanismo de generacin de FEM est directamente involucrado con las variaciones del flujo del campo magntico. Esta FEM inducida por el campo magntico tendr unas consecuencias importantsimas, tanto conceptuales como tecnolgicas, estando en la base de la generacin de energa elctrica en las centrales elctricas, en el funcionamiento de los circuitos de corriente alterna y en la generacin de las ondas electromagnticas.

La induccin electromagntica es el fenmeno por el cual se produce una corriente en un conductor, debido a variaciones del flujo magntico.

LEY DE FARADAY

En una demostracin clave de la induccin electromagntica (figura.1), se conecta un galvanmetro con una espira y se hace mover un imn de un lado a otro por el eje de la espira. Mientras el imn se mantiene fijo nada sucede, pero cuando est en movimiento, la aguja del galvanmetro se desva de un lugar a otro, indicando la existencia de corriente elctrica y por ende de una fuerza electromotriz en el circuito espira-galvanmetro. Si el imn se mantiene estacionario y la espira se mueve ya sea hacia o alejndose del imn, la aguja tambin se desviara. A partir de estas observaciones, puede concluirse que se establece una corriente en un circuito siempre que haya un movimiento relativo entre el imn y la espira.

La corriente que aparece en este experimento se llama corriente inducida, la cual se produce mediante una FEM inducida. Ntese que no existen bateras en ninguna parte del circuito.

En otro experimento como la figura 2. Las espiras se colocan una cerca de la otra pero en reposo la una con respecto de la otra. Cuando se cierra el interruptor S, creando as una corriente estacionaria en la bobina de la derecha, el galvanmetro marca momentneamente; cuando se abre el interruptor, interrumpiendo de este modo la corriente, el galvanmetro marca nuevamente, pero en direccin contraria.

Figura 1

El experimento muestra que existe una FEM inducida en la espira izquierda de la figura 2 siempre que la corriente de la derecha este cambiando. Lo que es significativo aqu es la velocidad a la que cambia la corriente y no a la intensidad de la corriente.

Figura2

La caracterstica comn de estos dos experimentos es el movimiento o cambio. La causa de las FEM inducidas es el imn en movimiento o la corriente cambiante.

En otras pruebas diferentes se muestran las propiedades importantes de la induccin. Si se repite el experimento con el mismo imn de la figura 10.1 pero con una espira de rea transversal mayor se produce una FEM mayor; por lo tanto la FEM inducida en la espira es proporcional a su rea. En todos estos experimentos no es el cambio del campo magntico lo importante, sino el cambio en su flujo a travs del rea de la espira.

Por ltimo, los experimentos demuestran que la indicacin o lectura del galvanmetro es tambin proporcional a la cantidad de espiras que forman una bobina y a la rapidez con que se producen los cambios.

Para hacer los resultados experimentales cuantitativos, se introduce el flujo magntico. El flujo magntico a travs de cualquier superficie se define como

La unidad del flujo magntico en el SI es el tesla metro2, al cual se le da el nombre de weber (abreviado Wb) en honor de Wilhelm Weber (1804 -1891). Esto es, 1weber = 1T.m2.

En trminos del flujo magntico, la FEM inducida en un circuito est dada por la ley de la induccin de Faraday:

La fem inducida en un circuito es igual a la rapidez con signo negativo con la que cambia con el tiempo el flujo magntico a travs del circuito.

En trminos matemticos, la ley de Faraday es

El flujo magntico total a travs de una bobina con N espiras es la suma de los flujos que pasa por cada una de sus espiras

Entonces la FEM inducida total es

Faraday

LEY DE LENZ.

Hasta aqu ha habido despreocupacin por el problema de los signos.Por ejemplo, al determinar el flujo de() no se ha especificado elsentidoque se escogi para.En realidad es necesario hacerlo porque no hay convencin de signos para lafem.Lafempuede pasar de ser negativa o positiva y no dice nada acerca del sentido que debe tener.El sentido correcto de lafem.sepuede obtener de laley de Lenzpropuesta en 1834 porHeinrichFriedrichLenz(1804-1865) y una de sus muchas formas para enunciarla es:

En un circuito conductor cerrado, la corriente inducida aparece en un sentido tal que sta se opone al cambio que la produce.

El signo menos en la ley deFaradayindica esta oposicin.La ley deLenz se refiere de acuerdo al enunciado acorrientes inducidas, lo cual significa que solo se aplica a circuitos conductores cerrados.

Para ilustrar la ley deLenz,se considera el ejemplo mostrado en la figura 4.

Figura 4

Al acercar un imn hacia un anillo se genera una corriente inducida en el anillo.Una espira de corriente crea un campo en puntos distantes como el de un dipolo magntico, siendo una cara del anillo un polo norte (salen las lneas de fuerza) y la otra un polo sur (entran las lneas de fuerza).En este experimento y como lo predice la ley deLenz, el anillo de la figura va a oponerse al movimiento del imn hacia l, el lado del anillo haciael imn debe resultar un polo norte, por lo tanto, el resultado es que el anillo y el imn se repelan.De acuerdo con la regla de la mano derecha para que se presente el campo magntico en el anillo como en la figura, la corriente inducida va en el sentido contrario a las manecillas del reloj cuando se mira a lo largo del imn hacia la espira.

Aqu no es significativo el hecho de que el campo inducido se oponga al campodel imn sino ms bien al hecho de que se opone alcambio,que en este caso es elaumentoena travs del anillo.Si se retira el imn figura 5, sereduce.

El campo inducido debe oponerse ahora a esta disminucin enreforzandoahora el campo magntico.En cada caso el campo inducido se opone al cambio que le da origen.

La ley deLenzes necesaria para la conservacin de energa.Si la corriente, en los experimentos anteriores, tuviera direccin opuesta, el imn sera atrado hacia la espira, ganando energa cintica!.Se podra usar la mayor energa cintica del imn para efectuar trabajo y al mismo tiempo usar lafeminducida para hacer trabajar maquinas elctricas. La repeticin del proceso producira una energa libre infinita, cosa que es, imposible.

Figura 5

Puesto de otra manera, se debe efectuar un trabajo sobre el sistema para producir energa.Si la espira tiene una resistencia R, en ella se produce energa trmica a una razn de I2R (efecto Joule).En consecuencia,se tiene que empujar el imn hacia la espiravenciendo la fuerza que se opone, y se efecta trabajo a una razn

.

Lenz

REGLA O LEY DE LA MANO DERECHA

Es un mtodo para determinardirecciones vectoriales, y tiene como base losplanos cartesianos.

Se emplea en dos maneras: para direcciones y movimientos vectoriales lineales ypara movimientos y direcciones rotacionales.

En electromagnetismo, la regla de la mano derecha establece que si se extiende la mano derecha sobre el conductor en forma de que los dedos estirados sigan la direccin de la corriente, el pulgar en ngulo recto con los dems dedos indicar el sentido de desplazamiento del polo norte de una agujaimantada.El campo creado por la corriente elctrica a travs de un conductor recto como todo campo magntico, est integrado por lneas que se disponen en forma de circunferencias concntricas dispuestas en planos perpendiculares al conductor.

As, cuando se hace girar un sacacorchos o un tornillo "hacia la derecha" (en el sentido de la agujas de un reloj) el sacacorchos o el tornillo "avanza", y viceversa, cuando se hace girar un sacacorchos o un tornillo "hacia la izquierda" (contrario a las agujas del reloj), el sacacorchos o el tornillo "retroceden".