Inducción electromagnética: Leyes de Faraday y Lenz
Flujo magnético
Para contar el número de líneas de campo que atravesaban el circuito en forma de espira de su experimento, Faraday definió el concepto de flujo magnético como el producto escalar de la densidad del campo magnético por el vector representativo del área de la espira (perpendicular a la superficie y con módulo igual a dicha área).
El flujo a través de la superficie representa el número de líneas de fuerza que atraviesan la superficie y es igual al producto escalar de B · S, siendo θ el ángulo que forma la dirección del campo magnético con la normal a la superficie considerada.
Ley de Faraday
En el experimento de Faraday-Henry se constata que si el flujo magnético cambia de manera brusca (por ejemplo, al mover el imán con mayor rapidez), la intensidad de corriente eléctrica inducida aumenta.
La variación del flujo magnético con respecto al tiempo viene dada por la llamada ley de Faraday:
ε = – ΔΦ/Δt
Donde:
- ε es la fuerza electromotriz inducida.
- Φ es el flujo magnético.
- t es el tiempo.
Ley de Lenz
El sentido de la corriente que circula por la espira del experimento de Faraday-Henry se define según la llamada ley de Lenz (por el físico estonio Heinrich Lenz, 1804-1865): la corriente inducida por un campo magnético variable adopta el sentido por el cual tiende a oponerse a la causa que la provoca.
Según la ley de Lenz, al acercar el imán al circuito se genera una corriente que induce un campo magnético que repele al imán (a). Cuando la barra imantada se aleja (b), la corriente generada engendra un campo que tiende a atraer al imán hacia el circuito.
Unificación de las leyes de Faraday y Lenz
Para unir las leyes de Lenz y Faraday en un único principio se define el concepto de espira orientada que es aquella en la que se ha establecido una cara privilegiada, llamada principal o positiva, donde se orienta el vector superficie S.
Entonces:
- La f.e.m. inducida en la espira es positiva cuando la corriente generada tiene el sentido de las agujas del reloj, y negativa en sentido contrario.
- El flujo magnético que atraviesa una espira orientada es igual a Φ = B · S, siempre que S sea el vector representativo de la cara positiva.
Inducción mutua y autoinducción
Inducción mutua
En sus primeras experiencias sobre el fenómeno de la inducción electromagnética Faraday no empleó imanes, sino dos bobinas arrolladas una sobre la otra y aisladas eléctricamente.
Cuando variaba la intensidad de corriente que circulaba por una de ellas, se generaba una corriente inducida en la otra. Este es, en esencia, el fenómeno de la inducción mutua, en el cual el campo magnético es producido no por un imán, sino por una corriente eléctrica.
La variación de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnético variable. Este campo magnético origina un flujo magnético también variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella, de acuerdo con la ley de Faraday-Henry, una fuerza electromotriz.
Cualquiera de las bobinas del par puede ser el elemento inductor y cualquiera el elemento inducido, de ahí el calificativo de mutua que recibe este fenómeno de inducción.
Autoinducción
El fenómeno de la autoinducción, como su nombre indica, consiste en una inducción de la propia corriente sobre sí misma.
Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo también variable debido a su propio campo magnético, lo que dará lugar a una fuerza electromotriz autoinducida.
En tal caso a la corriente inicial se le añadirá un término adicional correspondiente a la inducción magnética de la bobina sobre sí misma.
Todas las bobinas en circuitos de corriente alterna presentan el fenómeno de la autoinducción, ya que soportan un flujo magnético variable; pero dicho fenómeno, aunque de forma transitoria, está presente también en los circuitos de corriente continua.
En los instantes en que se cierra o se abre el interruptor, la intensidad de corriente varía desde cero hasta un valor constante o viceversa. Esta variación de intensidad da lugar a un fenómeno de autoinducción de duración breve, que es responsable de la chispa que se observa en el interruptor al abrir el circuito; dicha chispa es la manifestación de esa corriente adicional autoinducida.
Aplicaciones de la inducción electromagnética
La fuerza electromotriz sinusoidal
La ley de Faraday expresada en la forma de ε = – ΔΦ/Δt representa, en sentido estricto, la f.e.m. media que se induce en el intervalo t.
La fuerza electromotriz inducida varía con el tiempo, tomando valores positivos y negativos de un modo alternativo, como lo hace la función seno.
Su valor máximo depende de la intensidad del campo magnético del imán, de la superficie de las espiras, del número de ellas y de la velocidad con la que rote la bobina dentro del campo magnético.
Al aplicarla a un circuito eléctrico daría lugar a una corriente alterna.
Transformadores: elevadores y reductores de tensión
Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia.
Son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro.
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable.
Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora, la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns).
Los transformadores se emplean en las subestaciones eléctricas de las redes de transporte de energía eléctrica.
Con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule, debidas a la resistencia de los conductores, para transportar la electricidad a larga distancia se emplean transformadores que elevan la ddp de la corriente que se genera en las centrales eléctricas.
Cuando llega a su destino es necesario volver a utilizar transformadores para reducir dichas ddp y adaptarlas a las de utilización en domicilios o industrias.
Centrales termoeléctricas
Una central termoeléctrica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de calor.
Este calor puede obtenerse tanto de combustibles fósiles petróleo, gas natural o carbón como de la fisión nuclear del uranio u otro combustible nuclear.
Las centrales que en el futuro utilicen la fusión también serán centrales termoeléctricas.
En su forma más clásica, las centrales termoeléctricas consisten en una caldera en la que se quema el combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por donde circula agua, la cual se evapora.
El vapor obtenido, a alta presión y temperatura, se expande a continuación en una turbina de vapor cuyo movimiento impulsa un alternador que genera la electricidad.
Luego el vapor es enfriado en un Condensador donde circula por tubos agua fría de un caudal abierto de un río o por Torre de refrigeración.
Centrales hidroeléctricas
Una central hidroeléctrica es aquella que se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una presa situada a más alto nivel que la central.
El agua se lleva por una tubería de descarga a la sala de máquinas de la central, donde mediante enormes turbinas hidráulicas se produce la electricidad en alternadores.
Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son:
- La potencia de la turbina y del generador.
- La energía
Energía eólica
es la que se obtiene del viento, es decir, de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire o de las vibraciones que dicho viento produce. Los molinos de viento se han usado desde hace muchos siglos para moler el grano, bombear agua u otras tareas que requieren una energía. En la actualidad se usan aerogeneradores generar electricidad, especialmente en áreas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montañosas o islas. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión tubería de descarga a la sala de máquinas de la central, donde mediante enormes turbinas hidráulicas se produce la electricidad en alternadores. Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son:La potencia de la turbina y del generador. Y La energia