Bachillerato a distancia Ley de Faraday

Faraday y Henry descubrieron independientemente el fenómeno de la inducción electromagnética, que nos dice que un campo magnético variable genera un campo eléctrico, y establecieron de esta forma la primera interrelación entre el magnetismo y la electricidad. Veamos con detalle en qué consiste el mencionado fenómeno.



Inducción electromagnética

Supongamos el dispositivo experimental de la ilustración, consistente en un imán y una espira conductora unida a un galvanómetro, que nos indica si por ella pasa corriente eléctrica. Se observa que, cuando el imán se acerca o se aleja de la espira, se establece una corriente eléctrica en el circuito, tanto mayor cuanto mayor sea la velocidad del imán.

Inducción electromagnética 1

Si en vez de utilizar un imán empleamos una segunda espira por la que pasa una corriente, como aparece en la siguiente ilustración, los resultados son muy similares. Siempre que un dispositivo que genere un campo magnético se mueva con respecto a una espira, se produce una corriente eléctrica en ésta.
Inducción electromagnética 2

Ocurre exactamente lo mismo que en los casos anteriores si, en vez de moverse el dispositivo que genera el campo magnético, lo que se mueve es la espira. Algo parecido sucede también si la espira, en lugar de moverse, gira sobre un eje, como aparece en la ilustración.
Inducción electromagnética 3

Es más, si en el caso de las dos espiras las dejamos quietas, pero variamos la corriente que circula por la segunda espira, se genera otra corriente en la primera espira.

Si tenemos, por último, una espira construida de tal forma que se pueda deformar y, dejando quieto el dispositivo que genera el campo magnético, se varía el área de la espira, se observa que también se establece una corriente eléctrica en ella.
Inducción electromagnética 4

A las corrientes eléctricas que se generan en el primer circuito, como consecuencia de cualquiera de las anteriores variaciones del campo magnético, se las denominan corrientes inducidas. Y al fenómeno de generación de una corriente eléctrica por medio de una variación del campo magnético se le conoce como inducción electromagnética.

Ley de Faraday

Tras numerosas medidas, Faraday y Henry llegaron a la conclusión de que todos los experimentos anteriores podían explicarse mediante una única ley, denominada de Faraday (en algunos textos, se le llama de Faraday-Henry):

Si en un circuito cerrado se produce una variación del flujo del campo magnético a través del circuito, se genera en éste una fuerza electromotriz, ε, igual a menos la derivada con respecto al tiempo de dicho flujo.
Ley de Faraday 1

Antes de explicar qué es una fuerza electromotriz, haremos algunas puntualizaciones sobre la ley anterior. El flujo del campo magnético se puede calcular sobre cualquier superficie limitada por el circuito considerado. El resultado es independiente de la superficie, ya que, el flujo del campo magnético a través de una superficie cerrada es igual a cero.

La ley de Faraday es absolutamente general. Vale tanto cuando cambia el campo magnético como cuando se deforma el circuito, a través del que se calcula el flujo del campo magnético.
Ley de Faraday 2

La fuerza electromotriz que nos describe la ley de Faraday nos indica la existencia de un campo eléctrico que mueve las cargas. Ahora bien, la ley de Faraday es válida incluso si no existe un hilo conductor y se trata de un circuito imaginario. La existencia de dicho campo eléctrico es independiente de que haya o no hilo con¬ductor y se debe exclusivamente a la variación del campo magnético. Así:

Todo campo magnético variable origina un campo eléctrico.

El valor de dicho campo eléctrico es tal que su circulación viene dada por la ley de Faraday, como veremos a continuación.

Fuerza electromotriz

Para que en un circuito se establezca una corriente eléctrica debe haber un elemento que suministre cierta energía a las cargas. Dicho elemento puede ser una batería, por ejemplo, o un campo magnético variable, como acabamos de ver. Por definición:

La fuerza electromotriz (fem) es el trabajo por unidad de carga que se realiza en un circuito.

En el caso de una batería, dicho trabajo es realizado gracias a la energía química de la batería. En el caso de una fuerza electromotriz inducida, la energía es aportada por el agente que hace variar el campo magnético. Por ejemplo, cuando acercamos un imán a una espira hay que realizar un trabajo mecánico para ejecutar dicho movimiento, y ello supone una transformación de energía mecánica en energía eléctrica. Las dinamos y los alternadores se basan en esta ley, como veremos más adelante.

Podemos calcular la fuerza electromotriz inducida en función del campo eléctrico que se genera en el circuito. La fuerza electromotriz inducida ε es el trabajo por unidad de carga que se realiza a lo largo del circuito, lo que, a su vez, es igual a la circulación de la fuerza dividida por la carga. Dado que la fuerza por unidad de carga es precisamente el valor del campo eléctrico:
Fuerza electromotriz 1

obtenemos:
Fuerza electromotriz 2

en donde la integral está definida a lo largo del circuito. Como se desprende de esta expresión o de su propia definición, la fuerza electromotriz se. mide en voltios (V), al igual que el potencial eléctrico.
Fuerza electromotriz 3

Recordemos que, en el caso estacionario, la integral de línea de la expresión anterior era siempre cero, pues el campo eléctrico era con-servativo. Ello nos permitía definir un potencial eléctrico. Ahora, en presencia de campos magnéticos dependientes del tiempo, la ley de Faraday nos dice que dicha integral es distinta de cero y, por tanto, no es posible definir inequívocamente un potencial eléctrico. En este caso, el campo eléctrico no se puede obtener como el gradiente de una función escalar.

Ley de Lenz

El signo menos que aparece en la ley de Faraday puede deducirse a partir de un principio físico muy general, conocido como ley de Lenz, que dice:

La fuerza electromotriz inducida tiene un signo tal que sus efectos tienden a oponerse a la variación que la genera.

Es como si se tratara de un mecanismo de inercia de la naturaleza.

Si, por ejemplo, el flujo magnético a través de una espira aumenta, la corriente eléctrica que en ella se induce crea un campo magnético cuyo flujo a través de la espira es negativo, aminorando así el aumento original de flujo.


0 comentarios:

Publicar un comentario