Ley de Faraday y Fuerza Electromotriz Inducida

Aspecto histórico: Ley de Faraday y fuerza electromotriz inducida

Los experimentos desarrollados por Faraday en 1831, mostraron que es posible inducir una fuerza electromotriz (fem) en un circuito utilizando un campo magnético variable. Esta es una ley básica e importante del electromagnetismo que se conoce como la Ley de inducción de Faraday.

Experimentos básicos a partir de los cuales se obtiene la ley de Faraday

Experimento de Faraday

El experimento desarrollado por Faraday consistió en una bobina primaria enrollada alrededor de un anillo de hierro y conectada a un interruptor y a una batería.

“Una corriente en la bobina produce un campo magnético al cerrarse el interruptor. Una bobina secundaria también está enrollada en el anillo y se encentra conectada a un amperímetro”.

“En el circuito secundario no hay batería alguna y la bobina secundaria no está conectada eléctricamente con la bobina primaria, entonces cualquier corriente detectada en el circuito secundario debe haberse inducido por algún agente externo”.

“Cuando se cierra el interruptor la lectura del amperímetro cambia de cero en una dirección y después regresa a cero. Cuando se abre el amperímetro cambia en la otra dirección y regresa a cero nuevamente”.

“La fem es directamente proporcional a la rapidez de cambio con el tiempo del flujo magnético a través de la espira”.

$\varepsilon =-\;{d\Phi _{B} \over dt}=-\;{d \over dt}\;(B\;A\;\cos \theta )$

Ley de Lenz

La ley de Lenz explica el por qué en la ley de Faraday los signos de la fem y el cambio del flujo tienen signos opuestos.

“La corriente inducida en una espira está en la dirección que crea un campo magnético que se opone al cambio en el flujo magnético en el área encerrada por la espira”. Es decir, la fem tiende a mantener el flujo magnético original a través de la espira.

Ejemplos de la ley de Faraday y Lenz

Si se tiene una bobina de 200 vueltas de alambre y cada vuelta es un cuadrado cuyo lado mide 18 cm y se establece un campo magnético perpendicular al plano de la bobina que cambia de 0 a 0,5 en 0,8 s ¿Cuál será la magnitud de la fem inducida en la bobina?

$|\varepsilon |=n\;d^{2}\;{B_{f}-B_{i} \over \Delta t}$

$|\varepsilon |=(200)\;(0,18)^{2}\;{0.5-0 \over 0.8}\cong 4.0\;[\mathrm {V} ]$

Si se tiene una barra que se mueve hacia la derecha, el flujo dentro de la espira aumenta, entonces se debe inducir una corriente que genere un campo que contrarreste ese cambio, es decir un campo saliendo. La corriente debe ir en dirección opuesta a las manecillas del reloj.

Si la barra se mueve hacia la izquierda, el flujo dentro de la espira disminuye, entonces se debe inducir una corriente que genere un campo que contrarreste ese cambio, es decir un campo entrando. La corriente debe ir en la dirección de las manecillas del reloj.

Generador de corriente alterna

“Los generadores eléctricos reciben energía mediante trabajo y la transfieren al exterior por medio de una transmisión eléctrica”.

“Está constituido por una espira de alambre que gira en un campo magnético, la energía que la hace girar se puede obtener de diversas fuentes”.

Generador de corriente continua

“Utiliza los mismos componentes de un generador de corriente alterna, pero los contactos con la bobina se fabrican con un conmutador”.

“El voltaje de salida que se produce siempre tiene la misma polaridad y pulsa con el tiempo, por lo que no es adecuada para la mayor parte de aplicaciones”.

“Para obtener una corriente continua que sea más estable, se utilizan bobinas y conmutadores distribuidos de forma que los pulsos queden fuera de fase, así la salida de la corriente está prácticamente sin fluctuaciones”.

Fuerza electromotriz inducida

Teniendo en cuenta la ley de Faraday, la fem puede existir si:

• La magnitud de ${\vec {B}}$ cambia con el tiempo.

• El área encerrada por la espira cambia con el tiempo.

• El ángulo $\theta$ entre ${\vec {B}}$ y la normal a la espira puede cambiar con el tiempo.

• Cualquier combinación de las dos anteriores.

Confirmo lo aprendido

• Evaluación de la lección 2: Ley de Faraday y fuerzas electromotriz inducida

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Proyecto: Física 2 para ingenieros

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