Fuerza Electromotriz: Dinámica y Estática

Dependiendo de cómo se produce la variación del flujo magnético al que está sometido un conductor, se distinguen dos tipos de fuerzas electromotrices (FEM) inducidas:

• Dinámica
• Estática

Fuerza Electromotriz Dinámica

En este caso, la variación del flujo se consigue mediante el movimiento del conductor dentro de un campo magnético de intensidad constante. La FEM producida recibe el nombre de dinámica.

Ejemplos de este tipo de FEM son las que se generan en alternadores y dinamos, donde las bobinas del inducido se mueven con respecto al flujo magnético creado por los polos.

Fuerza Electromotriz Estática

Aquí, la variación del flujo en el conductor es el resultado de un campo magnético de intensidad variable. Generalmente, el conductor se encuentra en una posición fija con respecto al campo, por lo que la FEM que se produce se denomina estática. Las FEM que se generan en los bobinados de un transformador son de este tipo.

Cálculo de la FEM Inducida

Dado que el fenómeno de la inducción es consecuencia del corte de líneas de fuerza por parte del conductor, es lógico suponer que el valor de la FEM inducida dependa de la velocidad de corte de dichas líneas.

El valor de la FEM inducida depende de:

1. La velocidad mecánica con la que se mueve el conductor respecto al sistema polar N/S. A mayor velocidad, más líneas de fuerza cortará el conductor en la unidad de tiempo.
2. La longitud del conductor. Cuanto más largo sea, mayor será el espacio que atravesará en su movimiento y, por tanto, mayor será el número de líneas de fuerza cortadas.
3. La inducción existente en el campo magnético atravesado por el conductor. Cuanto mayor sea el número de líneas de fuerza por cm², mayor será el número que corta el conductor al desplazarse.

Así, el valor de la FEM en el conductor es directamente proporcional a la velocidad (V) en cm/s con que se mueve el conductor perpendicularmente a las líneas de fuerza, a la longitud (L) del conductor en cm, y a la inducción (B) en gauss existente en el campo magnético. En consecuencia, podemos establecer la siguiente fórmula:

E = B * L * V

• L = cm
• B = gauss
• V = cm/s

Ejemplo:

¿Cuál será el valor de la FEM en un conductor de 200 mm de longitud que se mueve a una velocidad de 25 m/s perpendicularmente a las líneas de fuerza de un campo magnético cuya inducción es de 6000 gauss?

Primero, convertimos las unidades a cm y cm/s:

• L = 200 mm = 20 cm
• V = 25 m/s = 2500 cm/s

Luego, aplicamos la fórmula:

E = 6000 gauss * 20 cm * 2500 cm/s = 300,000,000

La FEM en un conductor que corta las líneas de fuerza de un campo magnético es independiente del material del conductor. Se obtendría la misma FEM si el conductor fuera de plata, cobre, aluminio, etc.

FEM Generada en una Espira

En las máquinas eléctricas, no existen conductores únicos actuando independientemente, sino que todos los conductores forman parte de bobinas, cada una de las cuales dispone de una o más espiras.

Para que se sumen las FEM inducidas en los conductores activos de una espira, es preciso que en todo instante estos se encuentren bajo polos de sentido contrario.

Por consiguiente, la FEM resultante en el conjunto de la espira tendrá un valor doble que la inducida en cada uno de los conductores activos.

FEM Generada en una Bobina

Se denomina bobina a cada uno de los conjuntos compactos de espiras que, unidos entre sí, constituyen los bobinados de las máquinas y aparatos eléctricos.

En las máquinas eléctricas rotativas, se consigue generar FEM en los conductores activos mediante un movimiento giratorio de estos, durante el cual cortan las líneas de fuerza creadas por uno o más pares de polos.

El valor de la FEM resultante generada en la bobina será igual a la suma de las FEM parciales inducidas en la totalidad de las espiras que la constituyen. Así, su valor será igual al de la FEM inducida en una sola espira multiplicado por el número de espiras que constituyen la bobina.

Llamando N_b al número de espiras de una bobina y E₁ a la FEM inducida en cada espira, el valor de la FEM total generada en la bobina (E_B) será:

E_B = N_B * E₁

Recordando que la FEM generada en una espira es igual al doble de la generada en cada uno de los conductores, resulta que el valor de la FEM total generada en la bobina será:

E_B = N_B * 2 * B * L * V

Ejemplo:

¿Cuánto valdrá la FEM generada en una bobina constituida por 50 espiras, cuyos lados activos tienen una longitud de 100 mm, cuando se mueve con una velocidad de 18 m/s en campos magnéticos de nombre contrario y cuya inducción es de 6000 gauss?

• N_B = 50
• L = 100 mm = 10 cm
• V = 18 m/s = 1800 cm/s
• B = 6000 gauss

E_B = 50 * 2 * 6000 gauss * 10 cm * 1800 cm/s = 10,800,000,000

FEM de Autoinducción

Cuando una bobina de x espiras es recorrida por una corriente eléctrica de I amperios, en su interior existe un flujo de líneas de fuerza.

Si la intensidad de la corriente que recorre la bobina es constante, el valor del flujo no varía. En cambio, si varía el valor de la intensidad de la corriente, también varía en proporción directa el valor del flujo en la bobina.

En consecuencia, la bobina quedará sometida a los efectos de un flujo variable, por lo que se inducirá en ella misma una FEM. Debido a que la causa inicial de esta FEM inducida en la bobina es la variación de la intensidad de corriente en ella misma, se le da el nombre de FEM de autoinducción.

Esta FEM de autoinducción también aparece en un conductor recorrido por una corriente de intensidad variable, pero sus efectos son despreciables. La autoinducción de una bobina tiene mucha mayor importancia, sobre todo cuando está constituida por un elevado número de espiras.

Sentido de la FEM de Autoinducción

De acuerdo con la ley de Lenz, el sentido de la FEM de autoinducción en una bobina debe ser tal que su efecto se oponga a la variación de la intensidad de corriente que la recorre.

Por consiguiente, podemos enunciar las dos reglas siguientes:

• Si disminuye la intensidad de corriente que recorre las espiras de la bobina, la FEM de autoinducción tiene el mismo sentido que la corriente. Entonces, la bobina actúa como un generador.
• Si aumenta la intensidad de la corriente que recorre las espiras de la bobina, la FEM de autoinducción tiene sentido contrario al de la corriente. Entonces, la bobina actúa como un receptor, creando una fuerza contraelectromotriz.

La FEM de autoinducción retrasa la corriente respecto a la tensión principal del circuito.