¿Qué es la ley de inducción de Faraday?
¿Qué es la ley de inducción de Faraday?
Ley de Faraday describe cómo una corriente eléctrica produce un campo magnético y, a la inversa, cómo un campo magnético variable genera una corriente eléctrica en un conductor. Inglés físico Michael Faraday lleva el crédito por el descubrimiento de la inducción magnética en 1830; sin embargo, un físico estadounidense, Joseph Henry, de forma independiente el mismo descubrimiento casi al mismo tiempo, de acuerdo con la Universidad de Texas .
Es imposible exagerar la importancia del descubrimiento de Faraday. inducción magnética hace posible los motores eléctricos, generadores y transformadores que forman la base de la tecnología moderna. Mediante la comprensión y el uso de la inducción, tenemos una red de energía eléctrica y muchas de las cosas que se enchufan en ella.
La ley de Faraday después se incorporó a las ecuaciones de Maxwell más completos, de acuerdo con Michael Dubson, profesor de física en la Universidad de Colorado en 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, uniéndolas en una sola fuerza electroimán y la descripción de las ondas electromagnéticas que componen las ondas de radio, luz visible y los rayos X.
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Electricidad
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, de acuerdo con el Instituto de Tecnología de Rochester . Aunque es difícil de describir lo que realmente es, estamos muy familiarizados con la forma en que se comporta e interactúa con otros cargos y campos. El campo eléctrico de una carga puntual localizada es relativamente simple, de acuerdo con Serif Uran, un profesor de física en la Universidad Estatal de Pittsburg. Lo describe como que irradian igualmente en todas las direcciones, como la luz de una bombilla desnuda, y la disminución en la fuerza como la inversa del cuadrado de la distancia (1 / r 2 ), de acuerdo con la ley de Coulomb . Cuando se mueve al doble de distancia, la intensidad del campo disminuye a un cuarto, y cuando se mueve tres veces más lejos, se reduce a una novena parte.
Los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa. Sin embargo, los protones se inmovilizan sobre todo dentro de los núcleos atómicos, por lo que el trabajo de llevar la carga de un lugar a otro es manejado por los electrones. Los electrones en un material conductor tal como un metal son en gran parte libre de moverse de un átomo a otro a lo largo de sus bandas de conducción, que son las órbitas altas de electrones. Una fuerza suficiente electromotriz (emf), o voltaje, produce un desequilibrio de carga que puede causar los electrones se mueven a través de un conductor a partir de una región de carga más negativa a una región de carga más positiva. Este movimiento es lo que reconocemos como una corriente eléctrica.
Magnetismo
Con el fin de entender la ley de inducción de Faraday, es importante tener una comprensión básica de los campos magnéticos. En comparación con el campo eléctrico, el campo magnético es más compleja. Mientras que las cargas eléctricas positivas y negativas pueden existir por separado, los polos magnéticos siempre vienen en pares - un norte y un sur, de acuerdo con la Universidad de San José. Por lo general, los imanes de todos los tamaños - desde las partículas subatómicas a los imanes de tamaño industrial a los planetas y las estrellas - son dipolos, lo que significa que cada uno tiene dos polos. Llamamos a estos polos norte y sur después de la dirección en la que apuntan las brújulas. Curiosamente, ya que los polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen, el polo norte magnético de la Tierra es en realidad un polo sur magnético, ya que atrae a los polos norte de agujas de la brújula.
Un campo magnético se representa a menudo como líneas de flujo magnético . En el caso de un imán de barra, la salida de las líneas de flujo desde el polo norte y se curvan alrededor de volver a entrar en el polo sur. En este modelo, el número de líneas de flujo 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 sólo un modelo. Un campo magnético es lisa y continua, y en realidad no constan de líneas discretas.
líneas del campo magnético de un imán de barra.
El campo magnético de la Tierra produce una enorme cantidad de flujo magnético, pero se dispersa sobre un enorme volumen de espacio. Por lo tanto, sólo 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 nevera es pequeño en comparación con la de la Tierra, pero su intensidad de campo es muchas veces más fuerte a corta distancia en la que sus líneas de flujo son mucho más densas. Sin embargo, el campo se convierte rápidamente en mucho más débil a medida que se aleja.
Inducción
Si se corre una corriente eléctrica a través de un cable, se producirá un campo magnético alrededor del alambre. La dirección de este campo magnético puede ser determinado por la regla de la mano derecha . De acuerdo con el Departamento de Física de Buffalo Universidad Estatal de Nueva York, si extiende el dedo pulgar y el rizo de los dedos de su mano derecha, su pulgar apunta en la dirección positiva de la corriente, y los dedos rizo en la dirección norte del campo magnético .
La izquierda y la regla de la mano derecha de un campo magnético debido a una corriente en un alambre recto.
Si se dobla el cable en un bucle, las líneas de campo magnético se doblarán con él, formando un toroide o forma de rosquilla. En este caso, su pulgar apunta en la dirección norte del campo magnético que sale del centro del bucle, mientras que los dedos se apuntan en la dirección positiva de la corriente en el circuito.
En un bucle circular de transporte de corriente, (a) la regla de la mano derecha da la dirección del campo magnético en el interior y fuera del bucle. (B) la cartografía más detallada del campo, que es similar a la de un imán de barra.
Si corremos 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 par de torsión, en el bucle haciendo que gire, de acuerdo con el Instituto de Tecnología de Rochester . Sin embargo, sólo girará hasta el momento hasta que los campos magnéticos están alineados. Si queremos que el bucle para continuar girando, tenemos que invertir el sentido de la corriente, que invertirá la dirección del campo magnético del bucle. El bucle será entonces girar 180 grados hasta que su campo está alineado en la otra dirección. Esta es la base para el motor eléctrico.
A la inversa, si hacemos girar un bucle de alambre en un campo magnético, el campo inducirá una corriente eléctrica en el alambre. 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 alambre, sino más bien la apertura y cierre del bucle con respecto a la dirección del campo que induce la corriente. Cuando el bucle es cara en el campo, la cantidad máxima de flujo pasa a través del bucle. Sin embargo, cuando el bucle se volvió de canto en el campo, no hay líneas de flujo pasan a través del bucle. Es este cambio en la cantidad de flujo que pasa a través del bucle que induce la corriente.
Otro experimento podemos realizar es para formar un alambre en un bucle y conecte los extremos a un medidor de corriente sensible, o galvanómetro. Si entonces empujar un imán de barra a través del bucle, la aguja en el galvanómetro se mueve, lo que indica una corriente inducida. Sin embargo, una vez que nos detenemos el movimiento del imán, la corriente vuelve a cero. El campo del imán solamente inducirá una corriente cuando está aumentando o disminuyendo. Si tiramos del imán de vuelta, que volverá a inducir una corriente en el alambre, pero esta vez será en la dirección opuesta.
Imán en un bucle de cable conectado a un galvanómetro.
Si nos vamos a poner una bombilla en el circuito, sería disipar la energía eléctrica en forma de luz y calor, y que se sentiría resistencia al movimiento del imán como lo hemos movido dentro y fuera del bucle. Con el fin de mover el imán, tenemos que hacer un trabajo que es equivalente a la energía que está siendo utilizado por la bombilla.
En todavía 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 conectar la alimentación al primer bucle, el galvanómetro conectado al segundo bucle indicará una corriente inducida y luego volver 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 sólo por un instante cuando el campo magnético está cambiando. Cuando se apaga el interruptor, el medidor desviar momentáneamente en la dirección opuesta. Esta es una indicación adicional de que es el cambio en la intensidad del campo magnético, y no su fuerza o movimiento que induce la corriente.
La explicación de esto es que un campo magnético hace que los electrones en un conductor para moverse. Este movimiento es lo que conocemos como corriente eléctrica. Eventualmente, sin embargo, los electrones llegan a un punto en el que están en equilibrio con el campo, momento en el que dejarán de moverse. Luego, cuando el campo se elimina o se apaga, los electrones fluirán de nuevo a su ubicación original, produciendo una corriente en la dirección opuesta.
A diferencia de un campo gravitacional o eléctrico, un campo de dipolo magnético es una estructura 3-dimensional más complejo que varía en intensidad y dirección de acuerdo con la ubicación en la que se mide, por lo que requiere el cálculo para describir 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 Φ B = BA , donde Φ B es el valor absoluto del flujo magnético, B es la fuerza de el 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 = Φ B / A .
Ley de Faraday
Ahora que tenemos una comprensión básica del campo magnético, estamos listos para definir la ley de inducción de Faraday. Se establece que la tensión inducida en un circuito es proporcional a la velocidad de cambio con el tiempo del flujo magnético a través de ese circuito. En otras palabras, cuanto más rápido los cambios del 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 la tensión mediante el aumento del número de bucles en el circuito. La tensión inducida en una bobina con dos bucles será el doble que con un solo bucle, y con tres bucles será triple. Esta es la razón por motores y generadores reales suelen tener un gran número de bobinas.
En teoría, los motores y los generadores son los mismos. Si activa un motor, que va a generar electricidad, y la aplicación de tensión a un generador, que hará que se encienda. Sin embargo, la mayoría de los motores y generadores reales están optimizados para una sola función.
transformers
Otra importante aplicación de la ley de inducción de Faraday es el transformador , inventada por Nikola Tesla . En este dispositivo, la corriente, que cambia de dirección varias veces por segundo alterna, se envía a través de una bobina enrollada alrededor de un núcleo magnético. Esto produce un campo magnético cambiante en el núcleo, que a su vez induce una corriente en segunda bobina enrollada alrededor de una parte diferente del mismo núcleo magnético.
diagrama transformador
La relación del número de espiras en las bobinas determina la relación de la tensión entre la corriente de entrada y de salida. Por ejemplo, si tomamos un transformador con 100 vueltas en el lado de entrada y a 50 vueltas en el lado de salida, y de entrada una corriente alterna a 220 voltios, la salida será de 110 voltios. Según Hyperphysics, un transformador no puede aumentar la potencia, que es el producto de la tensión y la corriente, por lo que si se eleva la tensión, la corriente es proporcionalmente baja y viceversa. En nuestro ejemplo, una entrada de 220 voltios a 10 amperios, o 2.200 vatios, sería producir una salida de 110 voltios a 20 amperios, de nuevo, 2.200 vatios. En la práctica, los transformadores no son perfectamente eficiente, pero un transformador bien diseñado tiene típicamente una pérdida de potencia de sólo un pequeño porcentaje, de acuerdo con la Universidad de Texas .
Transformadores hacen posible la red eléctrica que dependemos para nuestra sociedad industrial y tecnológico. líneas de transmisión entre países operan a cientos de miles de voltios con el fin de transmitir más potencia dentro de los límites de conductos de corriente de los cables. Esta tensión se bajó repetidamente utilizando transformadores en subestaciones de distribución hasta que llega a su casa, donde es finalmente renunció a 220 y 110 voltios que se pueden ejecutar su estufa eléctrica y el ordenador.
Recursos adicionales
Universidad de Colorado: simulación interactiva de la Ley de Faraday
