INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
FISICA II


Contenido



INTRODUCCIÓN

En la actualidad, el tema de las fuentes de energía alternativas ha tomado un lugar muy importante a nivel mundial, esto, puesto que en los últimos años se ha visto un incremento desmesurado de los contaminantes arrojados a la atmósfera producto de la utilización de combustibles fósiles.
El siguiente trabajo de investigación se enfoca en la enseñanza de una evidencia experimental de que un campo magnético cambiante induce una fuerza electromagnética, también cómo es que la ley de Faraday relaciona la fuerza electromagnética inducida en una espira con el cambio del flujo magnético a través de la espira.
A determinar el sentido de una fuerza electromagnética inducida, a calcular la fuerza electromagnética inducida en un conductor que se mueve a través de un campo magnético.
El modo en que un flujo magnético cambiante genera un campo eléctrico que es muy diferente del producido por un arreglo de cargas.
Las cuatro ecuaciones fundamentales que describen por completo la electricidad y el magnetismo.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Comprender el concepto de inducción electromagnética, comprobar las causas bajo las cuales se presenta dicho fenómeno mediante un experimento y su aplicación en la vida cotidiana.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Comprender y aplicar el concepto de flujo magnético.
Demostrar que puede obtenerse una diferencia de potencial a partir de un campo magnético y deducir las condiciones bajo las cuales ocurreesto.
Comprender el concepto de fem inducida.
Deducir la relación que existe entre la diferencia de potencial inducida de una bobina y el número de espiras de ésta.
Establecer las leyes de Faraday y de Lenz a partir de los fenómenos observados.
Explicar la ocurrencia de diversos fenómenos con base en la aplicación de las leyes del punto anterior.

CAPITULO I: La inducción electromagnética

La vida moderna está basada, entre otros factores, en el uso de la electricidad como fuente de energía, siendo, por tanto, uno de los pilares de nuestra sociedad de la información y el conocimiento caracterizada por la implantación del transistor, televisión, ordenadores, Internet etc.
La fuente principal de producción de electricidad, al menos a escala industrial, está basada en la inducción electromagnética descubierta experimentalmente por Michael Faraday en 1831, y por consiguiente, nunca un experimento como este cambio nuestra visión del mundo, nuestra manera de vivir.

Conviene recordar que uno de los primeros trabajos de investigación relacionados con la corriente eléctrica fue llevado a cabo por Galvani (1737 - 1798) quien en 1791 publicó que cuando un metal se pone en contacto con las patas de una rana se produce una contracción muscular que Galvani interpretó erróneamente como electricidad animal. Galvani propuso que el cerebro de los animales producía electricidad que se transfería a los nervios y tras ser acumulada en los músculos llegaba a producir el movimiento de los miembros, comoel mismo observó ocurría en la pata de la rana.

Fue Alejandro Volta (1745 - 1827) quien puso de manifiesto que en el experimento de Galvani la pata de la rana actuaba como un mero detector de electricidad y que, en realidad, esta era producida por la unión del metal y la disolución que le rodeaba. De hecho en 1800 Volta inventó la pila que hoy día lleva su nombre formada por una serie de discos de plata y cinc separados por papel humedecido en salmuera.

El mecanismo de cómo se producía electricidad en la pila de Volta no fue conocido hasta bastantes años después. Sin embargo, ello no impidió que en 1820 Hans Christian Oesterd (1777 - 1851) realizara un experimento demostrando que el paso de una corriente eléctrica por un conductor cambiaba la dirección de una aguja magnética cercana al mismo. Los polos de la aguja magnética no eran repelidos ni atraídos por la corriente sino que se orientaban en una dirección perpendicular al paso de la corriente. El experimento de Oesterd fue el primer experimento que estableció una conexión entre la electricidad y el magnetismo y por tanto fue considerado como el principio del electromagnetismo. Fue, no obstante, André Marie Ampere (1775 - 1836) quién desarrolló la teoría necesaria para entender los experimentos de Oesterd y otros similares desarrollados por el mismo. Su teoría fue considerada como los “Principios” de la Electrodinámica.
El químico y físico inglés Michael Faraday (1791 - 1867) fue convencido por su amigo Richard Phillips, a la sazóneditor del Philosophical Magazine, para interesarse en el experimento de Oesterd y así comenzó su investigación en electromagnetismo. El día 29 de agosto de 1831, Faraday descubrió experimentalmente el fenómeno de la inducción electromagnética. En fechas anteriores todos sus intentos resultaron fallidos pero en dicho día no. El sistema experimental que preparó puede verse en la Figura 1. Tomó un anillo de hierro y en una de sus mitades enrolló un hilo debidamente aislado, la bobina A de la Figura, que conectó a una batería. En la otra mitad enrolló un segundo hilo, la bobina B de la Figura, que conectó a un galvanómetro.

Faraday observó que cuando apagaba la corriente en A, creyendo que el experimento no había tenido éxito, el galvanómetro conectado a la bobina B, detectaba el pulso de corriente. Con más cuidado, observó que el paso de corriente de manera continua por A no producía ninguna corriente en B. Se dio cuenta que solo se producía corriente en B cuando se iniciaba o cesaba la corriente en A.

Poco después de este experimento, Faraday demostró que si introducía un imán dentro de una bobina se producía una corriente transitoria. Análogamente si en vez de meter el imán lo sacaba, se producía una corriente pero esta vez de sentido contrario al obtenido cuando se introducía. Si el imán permanecía dentro de la bobina sin moverse, no se producía corriente. Resultaba claro que para producir una corriente el imán tenía que moverse en relación al carrete o bobina.
Hoy día sabemos que para produciruna corriente eléctrica se necesita una variación en un campo magnético, bien moviendo físicamente un imán o cerrando o iniciando la corriente eléctrica de un solenoide, por poner algunos ejemplos. Así pues, una corriente inducida se puede producir si una bobina gira en un campo magnético fijo. Este aparato es en realidad un generador eléctrico donde se convierte energía mecánica en energía eléctrica. En una central hidroeléctrica el agua almacenada en una presa se libera de tal manera que su caída hace girar la bobina de un generador. En una central térmica el vapor de agua a presión, producido al calentar agua con la energía obtenida por la combustión del carbono, se utiliza para girar las bobinas.

En general los métodos de inducción magnética están basados en lo que hoy día se conoce como ley de Faraday, llamada así en honor a su descubridor. Esta ley establece que el voltaje inducido en un circuito eléctrico es directamente proporcional a la variación con el tiempo de flujo magnético a través del circuito. Matemáticamente se escribe mediante la ecuación

Donde Ԑ es la fuerza electromotriz que se mide en voltios y ϕm es el flujo magnético que de hecho está relacionado con el número de líneas de campo magnético que pasan a través de la superficie delimitada por el circuito eléctrico. El término de la derecha de la ecuación anterior representa la derivada respecto al tiempo. En realidad este flujo magnético se define como el producto del campo magnético B por el área limitada por elcircuito. La unidad de flujo magnético es el Weber que equivale a un Tesla por metro cuadrado (1 T. m2). Lo que la ley indica es lo que Faraday observó en su experimento, que la fuerza electromotriz inducida no es proporcional al valor del flujo magnético sino a su variación por unidad de tiempo.
El signo negativo que aparece en el término de la derecha está relacionado con la dirección de la fuerza electromotriz inducida que sigue el principio general denominado Ley de Lenz en honor del físico Heinrich Friedrich Lenz (1804 - 1865), y cuyo enunciado es: El sentido de las corrientes, o fuerza electromotriz inducida, es tal que siempre se opone a la variación del flujo magnético que la produce.
El científico americano Joseph Henry (1797-1878) comunicó que él había descubierto la inducción electromagnética al mismo tiempo que Faraday, de forma independiente, y posiblemente fuese así. No obstante, como no publicó estos resultados, lo que sí hizo Faraday, hoy en día el descubrimiento de dicho fenómeno está asociado al nombre de Faraday. Lo que Henry descubrió y publicó en 1832 fue el fenómeno de auto - inducción. En honor de Henry la unidad oficial de inductancia es el Henrio, representado por la letra H. Se debería haber llamado Faraday o Faradio, pero estos términos se usan para otras magnitudes. El Faraday es una cantidad de carga eléctrica usada en los procesos electrolíticos y el Faradio, representado por F y llamado así en honor del científico inglés, es la unidad de capacidad eléctrica.
Elexperimento de la inducción electromagnética abrió el camino de la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica y supuso el inicio de la moderna industria eléctrica donde la electricidad, como mencionábamos al principio, juega un papel crucial en el desarrollo y bienestar de nuestra sociedad.
Los experimentos y descubrimientos de Faraday representan un claro ejemplo de cómo la investigación básica motivada por la curiosidad científica y sin mayor interés por sus aplicaciones prácticas puede, posteriormente, tener enormes consecuencias prácticas y generar un gran desarrollo económico. En este sentido es celebre la anécdota que relata como el Ministro de Hacienda Británico, Gladstone, interrogó a Faraday sobre la utilidad de la energía eléctrica y como este le contestó -Sir, un día podrá usted gravarla con impuestos.

La Inducción
El término posee diversas acepciones, en este caso presentaremos dos de ellas, una en sentido electroestático, donde corresponde a cuando un cuerpo eléctricamente cargado produce en otro una carga electroestática inducida, pero con un signo contrario, lo que aumentará la atracción de dichos cuerpos. Y la otra, en lo que nos compete, es decir, electromagnetismo, donde corresponde al fenómeno en el cual una fuerza electromotriz se genera en un cuerpo al ser expuesto éste a un campo magnético.

fuerza electromotriz
Corresponde a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Dicha fuente debe poseer dospolos, uno positivo y uno negativo, que tengan, a su vez, potenciales distintos y sean capaces de impulsar las cargas eléctricas a través del circuito donde se encuentren situados.
Pilas o Baterías
Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía eléctrica por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón-zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga. Las hay también de níquel-cadmio (NiCd), de níquel e hidruro metálico (Ni-MH) y de ion de litio (Li-ion), recargables.
La inducción electromagnética La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. Fue descubierta por Oersted, quien percató que una corriente eléctrica es capaz de producir un campo magnético; fomentando, de esta manera, la imaginación de científicos conocidos o no, siendo Faraday quien precisa las condiciones necesarias para que se produjera lo que Oersted dijo. Además, Michael nombró las corrientes eléctricas generadas como Corrientes Inducidas, por lo que hoy en día, se llama Inducción Electromagnética al proceso de generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos.

CAPITULO II: Aplicación de la inducción electromagnética en la vida diaria

Casi todos los dispositivos o máquinas modernas, desde una computadora hasta una lavadora o un taladro eléctrico, tienen circuitos eléctricos en su interior.
sCuál es la física en la que se basa la producción que satisface casi todas nuestras necesidades deenergía eléctrica?
La respuesta es un fenómeno conocido como inducción electromagnética: si el flujo magnético a través de un circuito cambia, se inducen una fem y una corriente en el circuito. En una estación generadora de electricidad, hay imanes que se mueven con respecto a bobinas de alambre para producir en ellas un flujo magnético variable y, por lo tanto, una fem. Otros componentes clave de los sistemas de energía eléctrica, como los transformadores, también dependen de fem inducidas magnéticamente. De hecho, en virtud de su papel clave en la generación de energía eléctrica, la inducción electromagnética es uno de los fundamentos de nuestra sociedad tecnológica.
El principio fundamental de la inducción electromagnética y la piedra angular de este capítulo es la ley de Faraday, que relaciona la fem inducida con el flujo magnético variable en cualquier espira, incluido un circuito cerrado. También analizaremos la ley de Lenz, que ayuda a predecir el sentido de las fem y las corrientes inducidas. Este capítulo explica los principios necesarios para entender los dispositivos de conversión de energía eléctrica, como los motores, generadores y transformadores.
La inducción electromagnética nos dice que un campo magnético que varía en el tiempo actúa como fuente de campo eléctrico. También veremos cómo un campo eléctrico que varía con el tiempo actúa como fuente de un campo magnético. Estos notables resultados forman parte de un conjunto de fórmulas llamadas ecuaciones de Maxwell, las cualesdescriben el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos en cualquier situación y preparan el terreno para comprender las ondas electromagnéticas.

Primera ecuación  de Maxwell
  
Teorema de Gauss para el campo eléctrico que relaciona el flujo a través de una superficie cerrada  con la carga que encierra.
 Segunda ecuación de Maxwell

 Teorema de Gauss para el campo magnético: el flujo de un campo magnético a través de una superficie cerrada es cero.
 Tercera ecuación de Maxwell

 Es la Ley de Faraday sobre la inducción electromagnética: un campo magnético variable genera un campo eléctrico que puede dar lugar a una corriente eléctrica si hay cargas que se puedan desplazar en un conductor.
 Cuarta ecuación de Maxwell

 Es la Ley de Ampere generalizada: un campo eléctrico variable con el tiempo induce otro magnético proporcional a la rapidez con que cambia el flujo eléctrico y perpendicular a aquel.


CAPITULO III: Experimentos de Inducción

Durante la década de 1830 Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry (1797-1878), quien fuera director de la Smithsonian Institution en Estados Unidos, realizaron varios experimentos pioneros con la fem inducida por medios magnéticos. La figura 1.1 ilustra varios ejemplos al respecto. En la figura 1.1a, una bobina de alambre está conectada a un galvanómetro. Cuando el imán cercano está inmóvil, el medidor no indica corriente. Esto no es sorprendente, pues en el circuito no hay fuente de fem. Pero cuando el imán se mueve y se acerca o sealeja de la bobina, el medidor indica corriente en el circuito, pero sólo mientras el imán se halla en movimiento (figura 1.1b). Si el imán permanece fijo y es la bobina la que se mueve, otra vez se detecta corriente durante el movimiento. Esto se llama corriente inducida, y la fem correspondiente que se requiere para generarla recibe el nombre de fem inducida.
En la figura 1.1c se ha sustituido el imán con una segunda bobina conectada a una batería. Cuando la segunda bobina está fija, no hay corriente en la primera bobina.
Sin embargo, cuando movemos la segunda bobina acercándola o alejándola de la primera, o hacemos lo mismo con la primera bobina con respecto a la segunda, hay corriente en la primera bobina, pero, de nuevo, sólo mientras una de las bobinas se mueve con respecto a la otra.
Por último, en el sistema de dos bobinas que se ilustra en la figura 1.1d, se mantienen ambas inmóviles y se varía la corriente en la segunda, ya sea abriendo y cerrando el interruptor o cambiando la resistencia de la segunda bobina con el interruptor cerrado (por ejemplo, modificando la temperatura de la segunda bobina). Se observa que al abrir y cerrar el interruptor hay un pulso momentáneo de corriente en el primer circuito.
Cuando se modifica la resistencia (y, por lo tanto, la corriente) de la segunda bobina, hay una corriente inducida en el primer circuito, pero sólo mientras está cambiando la corriente en el segundo circuito.

Figura 1.1: Demostración del fenómeno de la corriente inducida.
Paraexplorar más a fondo los elementos comunes a estas observaciones, consideremos una serie más detallada de experimentos con la situación que se ilustra en la figura 1.2. Se conecta una bobina de alambre a un galvanómetro, luego se coloca la

Figura 1.2: Bobina en un campo magnético.
Cuando el campo es constante y la forma, ubicación y orientación de la bobina no cambian, no hay corriente inducida en la bobina. Sólo se induce corriente cuando cambia alguno de estos factores.

bobina entre los polos de un electroimán cuyo campo magnético se pueda modificar.
A continuación se describe lo que se observa
1. Cuando no hay corriente en el electroimán, por lo que el galvanómetro no indica corriente.
2. Cuando el electroimán se enciende, hay una corriente momentánea a través del medidor a medida que se incrementa.
3. Cuando se nivela en un valor estable, la corriente cae a cero, sin importar qué tan grande sea.
4. Con la bobina en un plano horizontal, la comprimimos para reducir el área de su sección transversal. El medidor detecta corriente sólo durante la deformación, no antes ni después. Cuando aumentamos el área para que la bobina regrese a su forma original, hay corriente en sentido opuesto, pero sólo mientras el área de la bobina está cambiando.
5. Si se hace girar la bobina algunos grados en torno a un eje horizontal, el medidor detecta corriente durante la rotación en el mismo sentido que cuando se redujo el área. Cuando se hace girar de regreso la bobina, hay una corriente en sentido opuestodurante esta rotación.
6. Si se saca la bobina bruscamente del campo magnético, hay corriente durante el movimiento, en el mismo sentido que cuando se redujo el área.
7. Si reducimos el número de espiras de la bobina desenrollando una o más de ellas, hay corriente durante el proceso en el mismo sentido que cuando se redujo el área. Si enrollamos más espiras en la bobina, hay una corriente en sentido opuesto al enrollar.
8. Cuando se desconecta el electroimán, hay una corriente momentánea en el sentido opuesto al de la corriente cuando fue activado.
9. Cuanto más rápido se efectúen estos cambios, mayor es la corriente.
10. Si se repiten todos estos experimentos con una bobina que tenga la misma forma pero diferente material y resistencia, la corriente en cada caso es inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Esto demuestra que las fem inducidas que ocasionan la corriente no dependen del material de la bobina, sino sólo de su forma y del campo magnético.

El elemento común en todos estos experimentos es el flujo magnético cambiante
FB a través de la bobina conectada al galvanómetro. En cada caso, el flujo cambia ya sea porque el campo magnético cambia con el tiempo o porque la bobina se mueve a través de un campo magnético no uniforme. Revise la lista anterior para verificar esta afirmación. La ley de Faraday de la inducción, que es el tema de la siguiente sección, establece que en todas estas situaciones la fem inducida es proporcional a la tasa de cambio del flujomagnético FB a través de la bobina. El sentido de la fem inducida depende de si el flujo aumenta o disminuye. Si el flujo es constante, no hay fem inducida.
Las fem inducidas no son meras curiosidades de laboratorio, sino que tienen numerosas aplicaciones prácticas. Si está leyendo esto en el interior de una edificación, testá haciendo uso de fem inducidas en este preciso momento! En la central eléctrica que abastece su distrito, un generador eléctrico produce una fem haciendo variar el flujo magnético a través de bobinas de alambre. (En la siguiente sección veremos en detalle la forma en que esto se realiza.) Esta fem suministra el voltaje entre las terminales de las tomas de corriente de pared de su casa, y esta diferencia de potencial suministra la energía a la lámpara que ilumina su libro. De hecho, cualquier aparato que se conecte a la toma de corriente de pared utiliza fem inducidas.
Las fem inducidas magnéticamente siempre son el resultado de la acción de fuerzas no electrostáticas. Cuando estas fuerzas son el resultado de campos eléctricos adicionales inducidos por campos magnéticos cambiantes, tenemos que diferenciar con cuidado entre los campos eléctricos producidos por cargas (de acuerdo con la ley de Coulomb) y los producidos por campos magnéticos cambiantes. Denotaremos éstos, respectivamente, con (donde el subíndice c hace referencia a Coulomb, o a conservativo) y con (donde la n significa que no se trata de Coulomb o que es un campo no conservativo). Más adelante, en este capítulo y elsiguiente, volveremos a esta distinción.
CONCLUCIONES

La vida en la tierra entorno a la física, esta es la que nos explica los diferentes fenómenos que suceden a nuestro alrededor.
La inducción ocurre solamente cuando el conductor se mueve en ángulo recto con respecto a la dirección del campo magnético. Este movimiento es necesario para que se produzca la inducción, pero es un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. De esta forma, un campo magnético en expansión y compresión puede crearse con una corriente a través de un cable o un electroimán. Dado que la corriente del electroimán aumenta y se reduce, su campo magnético se expande y se comprime (las líneas de fuerza se mueven hacia adelante y hacia atrás). El campo en movimiento puede inducir una corriente en un hilo fijo cercano.
Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una fuente de fuerza electromotriz.
Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor.

BIBLIOGRAFIA

Inducción a la electrotécnica de Marcelo Antonio Sobrevila año d 1967.
Enciclopedia temática auto evaluativa para el siglo XXI.
Interacción electromagnética: teoría clásica de Joan Costa y Fernando López A. del año 2007.
SEARS, ZEMANSKY, YOUNG. “Física Universitaria”. Vol II. Edit. Addison – Wesley Ibe. USA – 1988
SERWAY JEWET, Física II Edit. Thomson, 3era Edición. 2004.