La Ley de inducción de Faraday describe cómo una corriente eléctrica produce un campo magnético y, a la inversa, cómo un campo magnético cambiante genera una corriente eléctrica en un conductor. El físico Inglés Michael Faraday obtiene el crédito por descubrir la inducción magnética en 1830; sin embargo, un físico estadounidense, Joseph Henry, hizo independientemente el mismo descubrimiento aproximadamente al mismo tiempo, según la Universidad de Texas.
es imposible exagerar la importancia del descubrimiento de Faraday., La inducción magnética hace posible los motores eléctricos, generadores y transformadores que forman la base de la tecnología moderna. Al entender y usar la inducción, tenemos una red eléctrica y muchas de las cosas que conectamos a ella.
La Ley de Faraday fue incorporada más tarde en las ecuaciones de Maxwell, según Michael Dubson, profesor de física en la Universidad de Colorado Boulder., Las ecuaciones de Maxwell fueron desarrolladas por el físico escocés James Clerk Maxwell para explicar la relación entre la electricidad y el magnetismo, esencialmente uniéndolos en una sola fuerza de electroimán y describiendo las ondas electromagnéticas que componen las ondas de radio, la luz visible y los rayos X.
electricidad
la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, según el Instituto de tecnología de Rochester. Aunque es difícil describir lo que realmente es, estamos bastante familiarizados con cómo se comporta e interactúa con otras cargas y campos., El campo eléctrico de una carga puntual localizada es relativamente simple, según Serif Uran, profesor de física en la Universidad Estatal de Pittsburg. Él lo describe como irradiando por igual en todas las direcciones, como la luz de una bombilla desnuda, y disminuyendo en fuerza como el cuadrado inverso de la distancia (1/r2), de acuerdo con la Ley de Coulomb. Cuando te mueves dos veces más lejos, la fuerza del campo disminuye a un cuarto, y cuando te mueves tres veces más lejos, disminuye a un noveno.
los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa., Sin embargo, los protones se inmovilizan principalmente dentro de los núcleos atómicos, por lo que el trabajo de llevar carga de un lugar a otro es manejado por electrones. Los electrones en un material conductor como un metal son en gran medida libres para moverse de un átomo a otro a lo largo de sus bandas de conducción, que son las órbitas de electrones más altas. Una fuerza electromotriz suficiente (emf), o voltaje, produce un desequilibrio de carga que puede hacer que los electrones se muevan a través de un conductor desde una región de carga más negativa a una región de carga más positiva. Este movimiento es lo que reconocemos como una corriente eléctrica.,
magnetismo
para entender la Ley de Faraday de la inducción, es importante tener una comprensión básica de los campos magnéticos. En comparación con el campo eléctrico, el campo magnético es más complejo. Si bien las cargas eléctricas positivas y negativas pueden existir por separado, los polos magnéticos siempre vienen en pares, uno al norte y otro al sur, según la Universidad Estatal de San José. Por lo general, los imanes de todos los tamaños, desde partículas subatómicas hasta imanes de tamaño industrial, planetas y estrellas, son dipolos, lo que significa que cada uno tiene dos polos., Llamamos a estos polos norte y sur por la dirección en la que apuntan las agujas de la brújula. Curiosamente, ya que los polos opuestos se atraen, y como los polos se repelen, el polo norte magnético de la Tierra es en realidad un polo sur magnético porque atrae a los polos norte de las agujas de la brújula.
un campo magnético a menudo se representa como líneas de flujo magnético. En el caso de un imán de barra, Las líneas de flujo salen del Polo Norte y se curvan alrededor para volver a entrar en el Polo Sur., En este modelo, el número de líneas de flujo que pasan a través de una superficie dada en el espacio representa la densidad de flujo, o la fuerza del campo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que esto es solo un modelo. Un campo magnético es liso y continuo y en realidad no consiste en líneas discretas.
el campo magnético de la Tierra produce una tremenda cantidad de flujo magnético, pero se dispersa en un gran volumen de espacio., Por lo tanto, solo una pequeña cantidad de flujo pasa a través de un área dada, lo que resulta en un campo relativamente débil. En comparación, el flujo de un imán de refrigerador es pequeño en comparación con el de la Tierra, pero su fuerza de campo es muchas veces más fuerte a corta distancia donde sus líneas de flujo están mucho más densamente empaquetadas. Sin embargo, el campo rápidamente se vuelve mucho más débil a medida que se aleja.
inducción
si pasamos una corriente eléctrica a través de un cable, producirá un campo magnético alrededor del cable. La dirección de este campo magnético puede ser determinada por la regla de la derecha., Según el Departamento de física de la Universidad Estatal de Buffalo De Nueva York, si extiendes el pulgar y rizas los dedos de la mano derecha, tu pulgar apunta en la dirección positiva de la corriente, y tus dedos se rizan en la dirección norte del campo magnético.
Si usted dobla el alambre en un lazo, las líneas del campo magnético doblarán con él, formando un toroide, o forma de la rosquilla., En este caso, su pulgar apunta en la dirección norte del campo magnético que sale del centro del bucle, mientras que sus dedos apuntarán en la dirección positiva de la corriente en el bucle.
si ejecutamos una corriente a través de un bucle de alambre en un campo magnético, la interacción de estos campos magnéticos ejercerá una fuerza de torsión, o torque, en el bucle haciendo que gire, según el Instituto de tecnología de Rochester. Sin embargo, solo girará hasta que los campos magnéticos estén alineados. Si queremos que el bucle continúe girando, tenemos que invertir la dirección de la corriente, lo que invertirá la dirección del campo magnético del bucle., El bucle girará 180 grados hasta que su campo esté alineado en la otra dirección. Esta es la base para el motor eléctrico.
por el contrario, si giramos un bucle de alambre en un campo magnético, el campo inducirá una corriente eléctrica en el cable. La dirección de la corriente se invertirá cada media vuelta, produciendo una corriente alterna. Esta es la base para el generador eléctrico. Cabe señalar aquí que no es el movimiento del cable, sino más bien la apertura y el cierre del bucle con respecto a la dirección del campo que induce la corriente., Cuando el bucle está frente al campo, la cantidad máxima de flujo pasa a través del bucle. Sin embargo, cuando el bucle se gira al borde del campo, no hay líneas de flujo que pasen a través del bucle. Es este cambio en la cantidad de flujo que pasa a través del bucle lo que induce la corriente.
otro experimento que podemos realizar es formar un cable en un bucle y conectar los extremos a un medidor de corriente sensible, o galvanómetro. Si luego empujamos un imán de barra a través del bucle, la aguja en el galvanómetro se moverá, indicando una corriente inducida., Sin embargo, una vez que detenemos el movimiento del imán, la corriente vuelve a cero. El campo del imán solo induce una corriente cuando está aumentando o disminuyendo. Si retiramos el imán, nuevamente inducirá una corriente en el cable, pero esta vez será en la dirección opuesta.
Si pusiéramos una bombilla en el circuito, disiparía la energía eléctrica en forma de luz y calor, y sentiríamos resistencia al movimiento del imán a medida que lo movíamos Dentro y fuera del bucle. Con el fin de mover el imán, tenemos que hacer un trabajo que es equivalente a la energía que se utiliza por la bombilla.
en otro experimento, podríamos construir dos bucles de alambre, conectar los extremos de uno a una batería con un interruptor, y conectar los extremos del otro bucle a un galvanómetro., Si colocamos los dos bucles cerca uno del otro en una orientación cara a cara, y encendemos la alimentación al primer bucle, el galvanómetro conectado al segundo bucle indicará una corriente inducida y luego volverá rápidamente a cero.
lo que está sucediendo aquí es que la corriente en el primer bucle produce un campo magnético, que a su vez induce una corriente en el segundo bucle, pero solo durante un instante cuando el campo magnético está cambiando. Cuando apague el interruptor, el medidor se desviará momentáneamente en la dirección opuesta., Esto es una indicación adicional de que es el cambio en la intensidad del campo magnético, y no su fuerza o movimiento lo que induce la corriente.
La explicación para esto es que un campo magnético hace que los electrones en un conductor para mover. Este movimiento es lo que conocemos como corriente eléctrica. Eventualmente, sin embargo, los electrones alcanzan un punto donde están en equilibrio con el campo, en cuyo punto dejarán de moverse. Luego, cuando el campo se elimina o se apaga, los electrones fluirán de vuelta a su ubicación original, produciendo una corriente en la dirección opuesta.,
a diferencia de un campo gravitacional o eléctrico, un campo dipolar magnético es una estructura tridimensional más compleja que varía en fuerza y dirección de acuerdo con la ubicación donde se mide, por lo que requiere cálculo para describirlo completamente. Sin embargo, podemos describir un caso simplificado de un campo magnético uniforme — por ejemplo, una sección muy pequeña de un campo muy grande — como ΦB = BA, donde ΦB es el valor absoluto del flujo magnético, B es la fuerza del campo, y A es un área definida a través de la cual pasa el campo., Por el contrario, en este caso la fuerza de un campo magnético es el flujo por unidad de área, o B = ΦB/A.
Ley de Faraday
ahora que tenemos una comprensión básica del campo magnético, estamos listos para definir la Ley de inducción de Faraday. Afirma que el voltaje inducido en un circuito es proporcional a la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético a través de ese circuito. En otras palabras, cuanto más rápido cambie el campo magnético, mayor será el voltaje en el circuito. La dirección del cambio en el campo magnético determina la dirección de la corriente.,
Podemos aumentar el voltaje aumentando el número de bucles en el circuito. El voltaje inducido en una bobina con dos bucles será el doble que con un bucle, y con tres bucles será triple. Esta es la razón por la que los motores y generadores reales suelen tener un gran número de bobinas.
En teoría, los motores y los generadores de la misma. Si giras un motor, generará electricidad, y aplicando voltaje a un generador, hará que gire. Sin embargo, la mayoría de los motores y generadores reales están optimizados para una sola función.,
Transformers
otra aplicación importante de la Ley de inducción de Faraday es el transformador, inventado por Nikola Tesla. En este dispositivo, la corriente alterna, que cambia de dirección muchas veces por segundo, se envía a través de una bobina envuelta alrededor de un núcleo magnético. Esto produce un campo magnético cambiante en el núcleo, que a su vez induce una corriente en la segunda bobina envuelta alrededor de una parte diferente del mismo núcleo magnético.,
la relación del número de vueltas en las bobinas determina la relación del voltaje entre la corriente de entrada y salida. Por ejemplo, si tomamos un transformador con 100 vueltas en el lado de entrada y 50 vueltas en el lado de salida, y entramos una corriente alterna a 220 voltios, la salida será de 110 voltios., Según la Hiperfísica, un transformador no puede aumentar la potencia, que es el producto de la tensión y la corriente, por lo que si la tensión se eleva, la corriente se reduce proporcionalmente y viceversa. En nuestro ejemplo, una entrada de 220 voltios a 10 amperios, o 2.200 vatios, produciría una salida de 110 voltios a 20 amperios, de nuevo, 2.200 vatios. En la práctica, los transformadores nunca son perfectamente eficientes, pero un transformador bien diseñado típicamente tiene una pérdida de energía de solo un pequeño porcentaje, según la Universidad de Texas.,
Los transformadores hacen posible la red eléctrica de la que dependemos para nuestra sociedad industrial y tecnológica. Las líneas de transmisión a través del país operan a cientos de miles de voltios para transmitir más potencia dentro de los límites de transmisión de corriente de los cables. Este voltaje se reduce repetidamente usando transformadores en subestaciones de distribución hasta que llega a su casa, donde finalmente se reduce a 220 y 110 voltios que pueden hacer funcionar su estufa eléctrica y su computadora.