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Inducción electromagnética

El efecto «opuesto» al que se da en los motores. Vemos en otras páginas que se puede producir un movimiento a partir de un campo magnético y de una corriente eléctrica.

El tema de esta página es algo así como el efecto contrario, generar corriente eléctrica partiendo de un movimiento y de un campo magnético (hay muchos fenómenos en la ciencia que parecen tener asociados otros fenómenos «opuestos» que se pueden producir: electrólisis y células de combustible; micrófonos y altavoces; piezoelectricidad y osciladores de cuarzo). En este caso es el efecto motor y el efecto dinamo o generador los que son «opuestos».

Experimentos básicos. Ley de Faraday

Las características esenciales de la inducción electromagnética, como se denomina este proceso, se pueden observar realizando una serie de experimentos donde se utiliza un equipo básico (Fig. 1).

Las características comunes de esos experimentos son: 1) un campo magnético generado por un imán o un electroimán; 2) un cable separado o una bobina, y 3) un movimiento relativo entre ellos.

En los diagramas a) y b) el cable se mueve hacia arriba y hacia abajo, en c) y en d) son los imanes los que se mueven, y en e) y en f) son las bobinas. En todos los casos la aguja del galvanómetro se mueve hacia un lado y hacia otro cuando hay movimiento.

¿Qué es lo que se induce exactamente debido al movimiento?

a) Cuando se mueve el cable hacia arriba y hacia abajo se produce una desviación en el galvanómetro.

b) Cuantas más espiras haya, mayor será la desviación.

c) Un imán que se mueve entrando y saliendo de un solenoide también produce una desviación.

d) Cuanto más potente sea el imán y más espiras haya, mayor será la desviación.

e) El movimiento de un solenoide primario, por el que pasa una corriente, entrando y saliendo de otro secundario provoca una desviación.

f) Una barra de hierro aumenta el efecto.

Figura 1.-Experimentos básicos de inducción electromagnética.

La desviación de la aguja del galvanómetro demuestra la existencia de una corriente eléctrica, pero esta corriente no surge por si misma, tiene que haber una fuerza electromotriz que mueve las cargas, por lo cual es más exacto hablar de una f.e.m. inducida. Si resulta que a partir de esta f.e.m. aparece una corriente, se deberá a que hay un circuito por el que pueden circular las cargas, y el valor de la intensidad de corriente dependerá de la resistencia que haya en el circuito. Las investigaciones por medio de estos experimentos se llevaron a cabo por Michael Faraday (1791-1867), que resumió sus descubrimientos en forma de ley:

Cuando varía el flujo magnético que atraviesa un circuito, se induce una f.e.m. en dicho circuito, que es proporcional a la velocidad con que varía dicho flujo.

(El flujo magnético a través de una superficie S es el número de líneas magnéticas que atraviesa dicha superficie. Es una magnitud que da una idea del valor del campo magnético y de su dirección en una cierta región del espacio.)

Otros experimentos sobre inducción electromagnética

Los puntos principales que descubrió Faraday son que debe haber un cambio en el campo magnético y que la f.e.m. inducida depende de la velocidad con que cambia el campo magnético. En la figura 2 aparecen disposiciones más elaboradas donde cambian los campos magnéticos. En cada caso, el galvanómetro marca alguna intensidad de corriente sólo cuando está cambiando el campo, y la causa que produce el cambio también producirá una f.e.m. inducida.

Los cambios se pueden realizar, por ejemplo, conectando y desconectando, por lo cual no es necesario que haya un movimiento físico. Se observa que al unir las dos bobinas con un núcleo de hierro se incrementa notablemente el valor de la f.e.m. inducida.

 La variación del campo se puede producir de varias formas:
a) Moviendo el solenoide primario.
b) Alterando el valor de la resistencia variable.
e) Conectando y desconectando el circuito primario.
d) Uniendo los polos del imán con una barra de hierro.

Figura 2.- Más experimentos sobre inducción electromagnética.

La bobina inducida

En la figura 2c se muestra el fundamento de lo que se denomina bobina de inducción, que sirve para producir una tensión elevada en un circuito secundario cuando conmuta la corriente en un circuito primario. En la figura 3 se muestra cómo se puede emplear este efecto para electrificar una cerca para el ganado.

Figura 3.-Electrificación de una cerca por medio de una bobina de inducción.

El circuito primario se compone de una batería, un interruptor y una bobina de cable arrollado en una varilla o en una barra (el condensador se pone para evitar chispazos en el interruptor . La bobina primaria está hecha con cable grueso, por lo cual cuando se conecta el circuito se produce una corriente considerable. La bobina del circuito secundario está arrollada directamente en la primaria (pero utilizando cable aislado, por supuesto) y tiene muchas vueltas de cable más fino. La f.e.m. inducida en la bobina secundaria se aplica directamente al alambre de la cerca, que está aislado convenientemente por medio de unos soportes a una altura apropiada para que llegue a la nariz de las vacas. Al conectar el circuito primario se produce una f.e.m. inducida en el secundario de pequeño valor, pero cuando se desconecta se produce un efecto mucho mayor debido al cambio brusco magnético que tiene lugar en la barra de hierro, puesto que pasa de magnetización completa a magnetización nula. Se pueden producir miles de voltios de esta forma, pero en un periodo corto de tiempo. Si se dispone de un mecanismo que conecte y desconecte el circuito primario de forma intermitente cada tres segundos, por ejemplo, se producirá una tensión elevada en la cerca cada vez que se  desconecta el circuito. Si un animal se pone en contacto con el alambre de la cerca experimentará una corta y suave descarga eléctrica. En las cercas electrificadas se pueden utilizar motores pequeños para conmutar mecánicamente el circuito primario a la frecuencia deseada, pero esta conmutación resulta mucho mejor si se realiza utilizando circuitos eléctricos. Desde el punto de vista del granjero, las cercas electrificadas tienen la gran ventaja de ser fáciles de mover de un sitio a otro.

Una versión parecida pero más elaborada de la bobina de inducción se utiliza para generar la chispa del encendido en los motores de los coches. Para provocar la chispa en las bujías de los motores de los coches se necesita una tensión mucho más elevada que la que puede obtenerse directamente de la batería de 12 V, por lo cual se induce una f.e.m. de la misma forma que la descrita anteriormente. En este caso se complica más porque es necesario sincronizar la generación de las altas tensiones que se aplican a los cuatro cilindros (normalmente hay cuatro) con el movimiento de los pistones, para que la mezcla de aire y gasolina explote en el momento apropiado en cada uno. Esta función se realiza de forma mucho más fiable con sistemas electrónicos que con interruptores, como se ha visto anteriormente.

Observemos que la función del circuito primario en una bobina de inducción es producir un alto grado de magnetización del núcleo de hierro utilizando una corriente de intensidad elevada. Los cables de este circuito deben ser bastante grandes para que pueda pasar la corriente. Por otra parte, en el circuito secundario se induce una f.e.m. en cada espira, por lo cual cuantas más espiras haya mayor será el efecto. Si hay varios cientos de espiras, el cable deberá ser fino para evitar que ocupe demasiado y el volumen sea muy grande, pero la corriente es tanto más baja (proporcionalmente) cuanto más estrechos son los cables.

La dirección de la f.e.m. inducida.

Ley de Lenz

Como en el caso del motor eléctrico, donde había una relación entre las direcciones del campo, la corriente eléctrica y la fuerza inducida (Fig. 1), también existe una relación entre las direcciones del campo, del movimiento y de la f.e.m. inducida. Si se utiliza un sistema como el representado en la figura 4, se puede hallar esta relación, conociendo la dirección N-S del campo, la dirección del movimiento y utilizando un galvanómetro para saber en qué sentido circula la corriente eléctrica.

Igual que en el caso de los motores, las tres direcciones son perpendiculares entre sí y se pueden recordar utilizando la regla de la mano derecha de Fleming (Fig. 5).

Figura 4.-Experimento para establecer la relación entre las direcciones del campo magnético, el movimiento y la f.e.m. inducida.

Figura 5 -Regla de la mano derecha, de Fleming.

Es curioso el parecido que existe entre los dos efectos electromagnéticos, el efecto motor y el de la f.e.m. inducida. El sentido común puede llevar a pensar que se trata de lo mismo, pero hay una razón muy importante por la cual deben ser diferentes.

Consideremos de nuevo el efecto motor representado en la figura 6. El campo va hacia abajo de N a S, la corriente circula de A a B y la fuerza hace que la varilla se mueva hacia la izquierda. En cuanto se mueve la varilla, se presenta el efecto básico de inducción que se muestra en la figura 6b con el campo de nuevo hacia abajo y el movimiento de AB hacia la izquierda, pero esto quiere decir que la f.e.m. inducida irá de B a A y no de A a B. Este efecto reducirá la corriente en AB y, por tanto, AB dejará de moverse. Si fuera al contrario, que la f.e.m. inducida fuera al revés, de A a B, se incrementaría el valor de la corriente, haciendo que la varilla se moviera aún más deprisa, aumentando más aún el valor de la f.e.m. y a su vez haciendo que la varilla rodara más deprisa, etc. Si ocurriera esto estaríamos incrementando la energía del sistema simplemente por conectar unos cuantos componentes y sin introducir desde fuera ninguna energía adicional. Este tipo de máquinas que generan energía sin tomarla de fuera no existen y la razón en este caso es que el efecto de inducción da como resultado un decrecimiento del movimiento y no un aumento del mismo. Este resultado general se expresa en la ley de Lenz:

La dirección de la corriente inducida es siempre tal que se opone al cambio que la produce.

Observemos que esta ley se refiere a la corriente inducida, no a la f.e.m. Si el circuito estuviera abierto sólo habría f.e.m. inducida, pues no podría haber corriente y, por tanto, no se generaría ninguna fuerza que se opusiera.

Figura 6. Relación entre el efecto motor y el efecto dinamo.

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