Semana 7
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Indicadores de logro:
4.11 Experimenta y explica con interés el fenómeno de autoinducción.
4.12 Indaga, construye bobinas y explica con interés la generación de corriente alterna utilizando las leyes de Faraday y Lenz.
Introducción
Introducción
La semana pasada estudiamos las dos formas en las que se relacionan la electricidad y el magnetismo: una corriente eléctrica produce un campo magnético y un campo magnético ejerce una fuerza sobre una corriente eléctrica.
A partir de entonces, los científicos comenzaron a preguntarse si las corrientes eléctricas producen un campo magnético: ¿Es posible que un campo magnético produzca una corriente eléctrica? Diez años después, el estadounidense Joseph Henry y el inglés Michael Faraday encontraron, cada uno por su cuenta, que esto era posible. En realidad, Henry hizo el descubrimiento primero, pero Faraday publicó sus resultados antes e investigó el tema con más detalle.
Esta semana estudiaremos dicho fenómeno y algunas de sus aplicaciones que cambiaron al mundo, incluido el generador eléctrico.
¿Qué debes saber?
¿Qué debes saber?
1. La fem inducida
Con seguridad, te estás preguntando qué es un fem. Para efectos prácticos, diremos que es el equivalente al voltaje producido por una batería o una fuente de voltaje.
Ahora bien, en su intento por generar una corriente eléctrica a partir de un campo magnético, Faraday utilizó un aparato como el que se ilustra en la figura 1. Conectó una bobina de alambre (bobina primaria) a una batería y la corriente que fluyó a través de esta produjo un campo magnético que se intensificó mediante el núcleo de hierro con forma de anillo, alrededor del cual se enrolló el alambre. Faraday esperaba que una fuerte corriente estable en la bobina primaria produjera un campo magnético suficientemente grande como para producir una corriente en una segunda bobina (bobina secundaria) enrollada sobre el mismo anillo de hierro.
Figura 1. Experimento de Faraday para verificar si las corrientes producían campos magnéticos. (Fuente: Raymond A. Serway)
Este segundo circuito contenía un medidor para detectar cualquier corriente, pero no incluía batería; por tanto, no tuvo éxito con corrientes constantes. Sin embargo, el efecto buscado se observó finalmente cuando Faraday notó que el medidor en el circuito de la bobina secundaria se movía notablemente en el momento en que cerraba el interruptor en el circuito de la bobina primaria y el medidor se movía notoriamente en la dirección opuesta cuando abría el interruptor en esta.
Una corriente constante en la bobina primaria producía un campo magnético constante que no producía corriente en la bobina secundaria, pues solo lo hacía cuando la corriente iniciaba o se detenía en la primaria.
Faraday concluyó que, aunque un campo magnético constante no produce corriente eléctrica en un conductor, un campo magnético variable sí puede generarla y esta es conocida como corriente inducida. Cuando cambia el campo magnético a través de la bobina secundaria, se induce en ella una corriente como si estuviera conectada a una fem o batería; entonces, se dice que un campo magnético variable induce una fem.
Faraday realizó más experimentos acerca de la inducción electromagnética (nombre que se le dio a este fenómeno); por ejemplo: la figura 2 muestra que, si un imán se mueve rápidamente hacia el interior de una bobina de alambre, en este se induce una corriente.
Si el imán se retira rápidamente, se induce una corriente en la dirección opuesta (disminuye a través de la bobina); más aún, si el imán se mantiene estable y la bobina de alambre se mueve hacia o desde el imán, de nuevo se induce una fem y fluye una corriente. Se requiere movimiento o cambio para inducir una fem y no importa si el imán o la bobina se mueven, ya que el movimiento es lo que cuenta.
Figura 2. a) Cuando un imán se mueve hacia una bobina, aumenta momentáneamente el campo magnético a través de ella y se induce una corriente. b) La corriente inducida es opuesta cuando el imán se aleja de la bobina (disminuye). Observa que el cero del galvanómetro está en el centro de la escala y la aguja se desvía a la izquierda o a la derecha, dependiendo de la dirección de la corriente. c) No se induce corriente si el imán no se mueve en relación con la bobina; aquí cuenta el movimiento relativo: el imán se puede mantener estable en tanto que la bobina se mueve, lo que también induce una fem.
2. Ley de Faraday
Faraday investigó cuantitativamente qué factores influyen en la magnitud de la fem inducida. Antes que todo, encontró que cuanto más rápidamente cambia el campo magnético, mayor es la fem inducida; también, que la fem inducida depende del área de la espira del circuito. Por lo tanto, se dice que la fem es proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético que se mide en weber (su símbolo es Wb y 1 Wb = 1T ‧ m2), que pasa a través del circuito o de la espira de área A (Ec. 1).
Con los experimentos realizados, se pudo inferir que la fem inducida dependía enteramente de la velocidad a la que cambia el flujo de campo dentro de la espira; como ya se mencionó, pueden moverse el campo magnético o la espira de alambre y siempre se obtendrá el mismo resultado. Con esto se pudo definir una ecuación que describa a la fem inducida en términos del flujo de campo (Ec. 2).
ΦB = BA
Ecuación 1. El flujo de campo magnético depende del área de la espira y el campo magnético al que es sometido.
ε = -N(ΔΦB/Δt)
Ecuación 2. Ley de inducción electromagnética de Faraday. La fem inducida ɛ depende del cambio de flujo de campo magnético y el tiempo en el que este cambia, además del número (N) de espiras que contenga el circuito.
3. Ley de Lenz
A partir de los experimentos de Faraday, Heinrich Lenz formuló un enunciado que explicaba y predecía la dirección de las corrientes producidas por la fem inducida. Para formular dicha ley, se debía tener dos cosas muy claras: el campo magnético variable o flujo que induce la corriente, tal como lo demostró Faraday, y cuando se forma una corriente, aparece un campo magnético (estudiado la semana pasada).
Cuando la corriente inducida aparece en la bobina, esta siempre tendrá una dirección tal que pueda producir un campo magnético contrario al que la produce. A partir de ello, la ley de Lenz se enuncia de esta manera: «Una fem inducida siempre está en una dirección que se opone al cambio original en el flujo que la produjo».
Para comprender mejor esta ley, analicemos de nuevo la figura 2: cuando aparece un flujo magnético como en la figura 2a donde el flujo aumenta al mover el imán hacia arriba, debe aparecer un campo magnético opuesto al que ya existe, según la ley de Lenz; es decir, que las líneas del campo inducido deberán ir hacia abajo y, en este caso, para que una corriente forme un campo con esas características, deberá dirigirse de derecha a izquierda como se indica en dicha figura.
Ahora bien, si observamos la figura 2b donde se mueve al imán hacia abajo y el flujo disminuye, deberá aparecer un campo que contrarreste esa disminución, es decir, que vaya hacia arriba; por ende, aparece una corriente capaz de producir ese campo, en este caso, de izquierda a derecha.
En el caso de que el imán no se mueva como en la figura 2c donde no hay cambio en el flujo de campo, no hay corriente inducida ni campo contrario.
Para resumir, podemos llegar a las siguientes conclusiones. Es posible inducir una fem en cualquiera de los siguientes casos:
Cuando modificamos la posición de un imán o una fuente de campo magnético, que también podría ser una espira de corriente variable.
Si modificamos el área de una espira que está dentro de un campo magnético constante, podremos modificar el flujo que pasa por ella y así inducir una fem.
Si se tiene una espira de área constante sometida a un campo magnético constante, es posible inducir una fem si se cambia la orientación de la espira, cambiando así la cantidad de líneas de flujo que pasan por ella.
4. Generador eléctrico
Ya hemos estudiado sobre los circuitos eléctricos y definimos que estos funcionaban con una corriente directa o CD; es decir, una corriente eléctrica que se mantiene casi constante, de manera que no cambia su magnitud ni su dirección a lo largo del tiempo.
Pero existe otro tipo de corriente eléctrica, llamada corriente alterna o AC, que tiene la característica de cambiar a medida pasa el tiempo. Cuando se produce corriente alterna, esta cambia tanto su magnitud como su dirección. La cd se puede producir con una batería y la ac requiere medios más complicados, por ejemplo, un generador eléctrico o dínamo, que funciona precisamente aplicando las leyes de Faraday y de Lenz.
Un generador transforma energía mecánica en energía eléctrica. En las figuras 3 y 4 se presentan dos diagramas simplificados de un generador ac, el cual consiste en muchas espiras de alambre y una fuente de campo magnético como un imán y un eje de rotación, que es accionado de forma mecánica. Al menos, hay dos variantes lógicas para hacer un generador:
Cuando se coloca una espira sujetada en un eje móvil, que se activa gracias a fuerzas mecánicas externas (por ejemplo una caída de agua, una turbina de vapor, el pedaleo de dicho eje), y se añade un campo magnético fijo para que se induzca una fem cuando la espira se mueva.
En el caso inverso, donde el imán se ubica en el eje rotatorio mientras que la espira se coloca de forma estática y, al girar el imán, se cambia el flujo de campo induciendo así una fem (Fig. 3).
Debido a los cambios de posición, ya sea de una espira o de un imán, se producen cambios en la dirección del flujo de campo; es decir que, en algún punto, la corriente inducida se comporta como en el caso de la figura 2a y cuando la polaridad cambia, la corriente se comporta como en la figura 2b. Es por este cambio en la dirección y la magnitud de la corriente que se le conoce como AC.
Figura 4. Modelo simplificado de generador eléctrico de fuente magnética móvil. (Fuente: Bo Krantz Simonsen)
En la figura 5 podemos ver un diagrama de cómo se comporta la ac a lo largo del tiempo. Este tipo de corriente puede ser estudiada y medida utilizando un aparato conocido como osciloscopio (Fig. 5).
Las represas hidroeléctricas de El Salvador —como El Guajoyo, Cerrón Grande, 5 de Noviembre y 15 de Septiembre (mostrada en la imagen de la introducción)— utilizan la energía que produce la caída de agua para mover unas enormes turbinas que funcionan con el principio del generador eléctrico.
Figura 5. El osciloscopio es un dispositivo de medición diseñado para observar y medir el comportamiento de la corriente alterna. (Fuente Shafin_Protic)
Práctico
Práctico
A. Responde
En el experimento de Faraday, ¿cuál sería la ventaja de utilizar un gran número de espiras?
¿Cuáles serían tres maneras de inducir una fem a una espira? Explica.
¿Cómo se hace en las presas hidroeléctricas de El Salvador para producir corriente eléctrica? Explica.
B. Resuelve
El flujo magnético a través de una bobina de alambre que contiene cuatro espiras cambia a una tasa constante de 38 Wb a 48 Wb en 0.42 s. ¿Cuál es la fem inducida en la bobina?
Cuando se hace girar una bobina de dos espiras, se produce un cambio de flujo de 60 Wb; este giro genera una fem inducida de 21 V. ¿Cuánto tiempo de giro fue necesario para producir dicha fem?
Si se tiene una espira cuadrada de lado L = 10 cm, que está frente a un campo magnético constante de 0.8 T; luego la bobina se gira 45°, de manera que el área —en este caso, el área superficial que recibe el campo magnético— ahora es A2 = Acos 45°. Calcula:
a. El flujo de campo en cada caso.
b. El cambio de flujo de campo entre el caso 1 y el 2.
Teleclase
Teleclase
Los materiales complementarios pueden requerir un consumo adicional de datos o un mayor ancho de banda.
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