Inducción Electromagnética

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA
PROFESOR: JUAN ANTONIO GARCÍA-MIGUEL FERNÁNDEZ-MONTES
ASIGNATURA: FÍSICA
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
OBJETIVOS:
-
Conocer las experiencias de Faraday y comprender, a partir de ellas, la inducción
electromagnética.
Conocer algunas aplicaciones de la inducción electromagnética: generadores eléctricos,
inducción mutua.
Aprender qué es un electroimán y sus aplicaciones.
DESARROLLO TEÓRICO:
EXPERIENCIAS DE FARADAY
La experiencia de Oersted demostró que una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo
magnético. Desde ese momento muchos científicos intentaron obtener el fenómeno inverso, esto es,
producir una corriente eléctrica a partir de un campo magnético. El físico y químico inglés M. Faraday
fue el primero en obtener experimentalmente, en 1831, una corriente eléctrica a partir del magnetismo.
Sus experiencias pusieron de relieve la estrecha relación entre los campos eléctrico y magnético.
PRIMERA EXPERIENCIA: Movimiento de un imán en el interior de una bobina.
Resultados: - Si acercamos un imán a una bobina (o la bobina al imán), aparece una corriente
eléctrica inducida durante el movimiento del imán. El sentido de la corriente se invierte
al alejar el imán (o la bobina). Pero si el imán y la bobina están en reposo, no
observamos corriente inducida.
- La intensidad de la corriente inducida depende de la velocidad con que movamos el
imán (o la bobina), de la intensidad del campo magnético del imán y del número de
espiras de la bobina.
SEGUNDA EXPERIENCIA: Cierre y apertura de un circuito eléctrico.
Resultados: - Al conectar el interruptor de la primera bobina se induce una corriente eléctrica en la
segunda con sentido contrario al de la primera. Al desconectar, se induce de nuevo una
corriente eléctrica en la segunda bobina. Pero, en este caso, en sentido contrario del
caso anterior.
- Cuando la intensidad de corriente en la primera bobina ya es constante, no aparece
corriente eléctrica inducida en la segunda.
CONCLUSIÓN: La inducción electromagnética consiste en la aparición de una corriente eléctrica en
un circuito cuando varía el número de líneas de inducción magnética que lo atraviesan.
APLICACIONES DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
GENERADORES ELÉCTRICOS: Es cualquier dispositivo que transforma una determinada forma de
energía en energía eléctrica. Si el generador produce corriente eléctrica alterna, se llama alternador, y
si es continua, dinamo.
Alternador: Consiste en una espira plana que se hace girar mecánicamente a una velocidad angular ω
G
constante en un campo magnético uniforme B creado por imanes permanentes. Los extremos de la
espira están conectados a dos anillos que giran solidariamente con la espira. Un circuito externo puede
acoplarse a los anillos mediante dos escobillas. A medida que la espira gira en el campo magnético, el
flujo magnético que la atraviesa varía y, por tanto, se induce una fem en la espira que hace circular una
corriente eléctrica en el circuito exterior. Si la espira tiene un área S, el flujo magnético que la
atraviesa en cada instante de tiempo es Φ = BS cosθ , donde θ es el ángulo que forma el vector
G
G
superficie S con el campo magnético B . La espira gira con una velocidad angular constante ω, por
tanto, el ángulo θ puede escribirse como θ = ωt . Entonces, el flujo magnético que atraviesa la espira
en cada instante de tiempo es Φ = BS cos ωt . Según la ley de Faraday, la fem inducida
dΦ
ε =−
= BSω senωt = ε 0 senωt , donde ε0 es la fuerza electromotriz inducida máxima. La fem
dt
inducida varía en el tiempo de forma sinusoidal. Es decir, es periódica y cambia alternativamente de
polaridad.
Dinamo: A diferencia del alternador, en la dinamo los extremos de la espira están conectados a dos
semianillos apoyados sobre dos escobillas, de manera que a cada media vuelta de la espira, los
semianillos cambian de escobilla y así la corriente en el circuito externo circula siempre en el mismo
sentido.
INDUCCIÓN MUTUA: La segunda experiencia de Faraday consta de dos bobinas muy próximas con
sus ejes alineados. Si por la primera bobina circula una intensidad de corriente, el campo magnético
creado por esta corriente origina un flujo magnético a través de la segunda bobina, proporcional a la
intensidad que circula por la primera bobina, y la aparición de una corriente inducida en la segunda
bobina. La variación de intensidad que se produce en la segunda bobina genera un flujo magnético a
través de la primera y, en consecuencia, una fem inducida en ésta. La aplicación más importante del
fenómeno de inducción mutua consiste en la variación de la tensión y de la intensidad de una corriente
alterna sin pérdidas apreciables de energía, mediante el uso de transformadores.
Transformadores: Un transformador consta de dos bobinas de hilo conductor enrolladas alrededor de
un núcleo común de hierro dulce (el núcleo de hierro dulce tiene por función intensificar en campo
magnético y canalizar las líneas de inducción, de manera que el flujo que atraviesa a cada espira es el
mismo) y aisladas entre sí. La bobina por la que se hace circular la corriente alterna de entrada recibe
el nombre de circuito primario y la otra bobina, por la que circula la corriente transformada de salida,
se llama circuito secundario. La corriente alterna que circula por el circuito primario produce un flujo
magnético que origina, por inducción mutua, una fem inducida alterna en el circuito secundario de
igual frecuencia que la de entrada. En función de las características de las dos bobinas, las tensiones e
intensidades serán distintas. Sea Φ el flujo que atraviesa cada espira; N1 y N2 , el número de espiras de
los circuitos primario y secundario, respectivamente. Entonces, según la ley de Faraday, las tensiones
dΦ
dΦ
y V2 = − N 2
. De donde
V1 y V2 de entrada y salida, respectivamente, serán V1 = − N 1
dt
dt
V2 N 2
=
. Por otro lado, si despreciamos las pérdidas energéticas, entonces las potencias de entrada y
V1 N1
V
I
N
salida serán iguales, o lo que es lo mismo V1 I 1 = V2 I 2 . En consecuencia: 2 = 1 = 2 .
V1 I 2 N1
ELECTROIMÁN
Consiste en un solenoide en cuyo interior se ha introducido una barra de hierro dulce. El campo
magnético generado por el electroimán es más intenso que el de la bobina, debido a que el hierro dulce
se imanta y crea su propio campo magnético, que se suma al del solenoide. Si desconectamos la
corriente, desaparece el campo magnético, ya que el hierro es un imán temporal. Esto hace que el
electroimán se muy útil en diversas aplicaciones como timbres, frenos electromagnéticos, grúas
magnéticas, alternadores, dinamos, motores eléctricos,…
DESARROLLO EXPERIMENTAL:
EXPERIENCIAS DE FARADAY
SEGUNDA EXPERIENCIA:
Cierre y apertura de un circuito
eléctrico.
APLICACIONES DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
GENERADORES ELÉCTRICOS
INDUCCIÓN MUTUA
PRIMERA EXPERIENCIA: Movimiento de un imán en el interior
de una bobina.
ALTERNADOR
CIRCUITO DESCONECTADO
DINAMO
ELECTROIMÁN
TRANSFORMADOR
CIRCUITO CONECTADO