Fuerza electromotriz inducida
La inducción eléctrica fue descubierta en 1831 por el físico inglés Miguel Faraday quien suponía que si una corriente puede producir un campo magnético, debería poder producirse corriente eléctrica mediante un campo magnético.
Uno de los aparatos que Faraday usó en sus experimentos es de mucho interés histórico, ya que representa el prototipo de los transformadores de corriente alterna actuales. Consiste en un anillo de hierro provisto de dos bobinas de cobre aislado. Una de las bobinas se conecta a un galvanómetro y la otra a una pila. Cuando se cierra o abre el circuito, la aguja del galvanómetro oscila. De este y otros experimentos realizados con el empleo de imanes y bobinas, Faraday concluyó que:
a. Cuando un imán se desplaza hacia una bobina y se introduce en su interior, se crea o «induce» una corriente eléctrica. b. La corriente es de dirección contraria cuando el imán se desplaza alejándose de la bobina, y saliendo de su interior .
Ya vimos que si por un conductor se hacía circular una corriente eléctrica, en torno al mismo se creaban un conjunto de líneas de fuerza cuyo sentido de rotación dependía de la dirección con que fluía dicha corriente. Estudiaremos ahora cómo es posible generar una fuerza electromotriz (que en adelante llamaremos f.e.m. ) valiéndonos de las propiedades del magnetismo.
Es un hecho demostrado que colocando un conductor bajo la influencia de un campo magnético (bajo la influencia de un imán, por ejemplo) y moviendo dicho conductor de modo tal que “corte” las líneas de fuerza existentes en torno a la pieza magnética es decir moviendo el conductor transversalnente a la dirección de las líneas de fuerza, en dicho conductor se generará una f.e.m. denominada de inducción.
Para comprender mejor este fenómeno observemos la figura 2–5A, en la cual hemos dispuesto un alambre conductor cuyos dos extremos han sido conectados a un galvanómetro, instrumento de elevada sensibilidad que se utiliza para la medición de pequeños pasajes de corriente eléctrica. En la misma figura representamos un iman del tipo “de barra”, uno de cuyos polos se encuentra próximo al conductor, y que para mayor comprensión de este tema, vamos a suponer que el mismo es movido hacia arriba y hacia abajo, según la trayectoria A-B.
Fig. 2–5A Generación de una f.e.m. en un conductor aproximado a un campo magnético variable .
Moviendo el polo del iman del punto A al punto B, de modo que pase muy próximo al conductor, los electrones de los atomos del alambre se verán influenciados por la vecindad del campo magnético y, según sea el polo enfrentado, dichos electrones serán atraídos o repelidos por el campo magnético, dando lugar así a un desequilibrio en la estabilidad natural de los electrones del alambre conductor. Este desequilibrio no será otra cosa que un movimiento de electrones, o lo que es lo mismo, una corriente eléctrica, de cuya existencia nos dará pruebas la aguja del instrumento, que en el instante de producirse el paso del polo del imán por la proximidad del conductor, en la dirección A-B, se habrá desviado en un sentido, según sea la dirección de dicha corriente.
Un hecho importante de destacar es que la aguja del galvanómetro nos dará la indicación máxima cuando el polo del iman sea movido de modo tal que sus líneas de fuerza sean cortadas en forma transversal por el conductor, o sea, cuando el conductor sea movido hacia arriba, y hacia abajo. El sentido de circulaciónde la f.e.m. inducida en el conductor dependerá del sentido en que se desplace el iman, pues moviendo el mismo en la dirección A-B la dirección de la corriente inducida tendrá un sentido, y moviendo el iman en la dirección B-A,el sentido de circulación de la corriente será inverso.
La f.e.m. será inducida en el conductor unicamente cuando exista una variación en las líneas de fuerza del campo magnético, o esa cuando el campo magnético no se encuentre fijo. Esta f.e.m. será más intensa cuanto mas intenso sea el valor de dicho campo y cuantas más líneas de fuerza sean las que corten al conductor.
También contribuirá a aumentar la intensidad de la corriente el número de veces que sea movido el iman en una y otra dirección, en la unidad de tiempo, esto es el segundo.
Si en lugar de mover el iman es el conductor el que se desplaza en forma transversal a las líneas magneticas, se podrá obtener igualmente una circulación de corriente eléctrica por el conductor, pues lo esencial es que dicho conductor sea sometido a la acción de un campo magnético variable.
La f.e.m. inducida será mas intensa cuanto mayor sea la porción de conductor (longitud del mismo) expuesta a la acción del campo magnético variable.
Si en lugar de tomar un conductor recto nos valemos de un solenoide, podremos obtener un considerable aumento de corriente.
En la figura 2–5B representamos dicho solenoide, en cuyo exterior se encuentra conectado un galvanómetro, y al costado de aquel vamos a suponer que se encuentra un iman moviéndose hacia el interior y hacia el exterior del bobinado. Igual que en la explicación anterior, en el momento de penetrar dicho iman en el interior del solenoide, se inducirá en el mismo una f.e.m. cuyo sentido de circulación dependerá del polo que se aproxime a la bobina. Retirando el iman del solenoide, el sentido de circulación de la corriente será contrario a la dirección anterior.
Si el iman es introducido y retirado lentamente del interior del bobinado, la aguja del instrumento nos acusará el pasaje de una corriente débil. Pero si por el contrario, acercamos y alejamos rápidamente el imán, notaremos que la aguja del galvanómetro se desviará más bruscamente, acorde con los movimientos, y el valor de la corriente inducida será mucho más elevada. También se elevará el valor de la corriente si aumentamos el número de espiras del solenoide y la intensidad del campo magnético circundante.
Fig. 2–5B . El sentido de una f.e.m. inducida depende de la dirección de las líneas de fuerza magnéticas .
De todas las consideraciones expuestas es posible deducir la siguiente fórmula para calcular la f.e.m. inducida en un solenoide:
en donde es la intensidad del flujo magnético en maxwells o sea la cantidad de líneas de fuerza. n es el número de espiras del solenoide, f el número de movimientos completos hacia adentro y hacia afuera o frecuencia con que es movido el iman, t el tiempo en segundos y 108 es un valor constante, que representa el número 10 a la octava potencia, o sea 100.000.000. Dicho valor sería la cantidad de lineas de fuerza que un conductor necesitaría cortar en un segundo para que en el mismo se genere una f.e.m. de un voltio.
En un conductor se induce una fuerza electromotriz (fem) cada vez que hay un cambio en el flujo magnético que pasa por el mismo. La magnitud de la fem es proporcional a la relación de tiempos en que varía el flujo magnético. Alternativamente, una fem puede pensarse como inducida en un conductor que corta líneas de fuerza de un campo magnético. La magnitud de la fem es proporcional a la velocidad con la cual se cortan la líneas de fuerza. Si el flujo varía (o el flujo es cortado) a una velocidad de 100.000.000 o 108 líneas por segundo, se induce en el conductor una fem de 1 volt. Entonces, fem inducida en un conductor (volts) ,
donde es la variación de flujo (en líneas o maxwells) en un un intervalo de tiempo .
Dado que 108 líneas de fuerza constituyen 1 weber de flujo en el sistema mks, se puede expresar también la fem inducida en un conductor
El signo menos (-) de esta expresión indica que la fem inducida se opone a la acción que la produce ( ley de Lenz). Para una bobina de varias espiras (N) encadenadas por la misma variación de flujo, se inducen iguales fem en cada una de las espiras y el total de la fem inducida es la suma de éstas. Por lo tanto, la fem inducida en una bobina,
La fem inducida también puede expresarse en términos de la velocidad del movimiento. Cuando un conductor de longitud l (cm) se mueve en ángulo recto en un campo magnético de densidad de flujo B (gauss), con una velocidad de v (cm/seg), la fem inducida en el conductor es
donde v es la componente de velocidad normal (perpendicular) relativa, con que es cortado el flujo. (A un ángulo θ relativo al flujo, la componente normal de la velocidad es v sen θ.)
