El fenómeno por el cual un campo magnético variable induce una corriente eléctrica
La inducción electromagnética es el fenómeno por el cual se genera una fuerza electromotriz (fem) o una corriente eléctrica en un conductor cuando este es expuesto a un campo magnético variable. Este principio, descubierto por Michael Faraday en 1831, es la base del funcionamiento de generadores eléctricos, transformadores, motores de inducción y muchas otras tecnologías modernas.
El descubrimiento de Faraday revolucionó la física y la ingeniería, al demostrar la conexión profunda entre la electricidad y el magnetismo, y sentar las bases para el desarrollo de la teoría electromagnética de Maxwell.
Para entender la inducción magnética, primero debemos definir el concepto de flujo magnético (Φ). El flujo magnético a través de una superficie es una medida del número de líneas de campo magnético que atraviesan dicha superficie.
Donde:
El flujo magnético puede cambiar de tres maneras:
La Ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz (fem) inducida en un circuito cerrado es directamente proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través de él.
Donde:
El signo negativo en la ecuación no es un error, sino que tiene un significado físico fundamental que es explicado por la Ley de Lenz.
La Ley de Lenz, que complementa a la Ley de Faraday, establece que la dirección de la corriente inducida es tal que su campo magnético se opone al cambio en el flujo magnético que la produjo.
En otras palabras, la corriente inducida crea un campo magnético que "resiste" la causa que la genera. Esto es una consecuencia directa del principio de conservación de la energía.
Para determinar la dirección de la corriente inducida, se pueden seguir estos pasos:
Un generador eléctrico convierte energía mecánica en energía eléctrica mediante la rotación de una bobina dentro de un campo magnético estacionario (o viceversa). La rotación cambia continuamente el ángulo θ entre el campo magnético y la normal a la bobina, lo que produce un flujo magnético variable y, por lo tanto, una fem inducida.
Si la bobina gira a una velocidad angular constante, la fem inducida varía sinusoidalmente con el tiempo, generando una corriente alterna (CA).
Un transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro mediante inducción magnética. Consiste en dos bobinas (primaria y secundaria) enrolladas alrededor de un núcleo de hierro común.
Una corriente alterna en la bobina primaria crea un campo magnético variable en el núcleo. Este campo magnético variable induce una fem en la bobina secundaria. La relación entre las tensiones primaria y secundaria es igual a la relación entre el número de vueltas de las bobinas:
Los transformadores son fundamentales para la transmisión eficiente de energía eléctrica a largas distancias, permitiendo elevar la tensión para reducir las pérdidas y luego reducirla para un uso seguro.
Cocinas de Inducción: Una bobina debajo de la superficie de la cocina crea un campo magnético alterno de alta frecuencia. Este campo induce corrientes parásitas (eddy currents) en el fondo de una olla de material ferromagnético, calentándola directamente de manera muy eficiente.
Frenado Regenerativo: Utilizado en trenes eléctricos y vehículos híbridos/eléctricos. Durante el frenado, el motor funciona como un generador, convirtiendo la energía cinética del vehículo en energía eléctrica. Esta energía se puede almacenar en baterías o disipar en resistencias, lo que ayuda a frenar el vehículo y recupera energía que de otro modo se perdería como calor.
Una espira circular de alambre con un radio de 10 cm se encuentra en un plano perpendicular a un campo magnético uniforme. La magnitud del campo magnético aumenta uniformemente de 0.2 T a 0.8 T en 0.5 segundos. Calcula la fuerza electromotriz media inducida en la espira.
Datos:
Paso 1: Calcular el cambio en el flujo magnético (ΔΦ).
Como el campo es perpendicular a la espira, cos(θ) = 1.
Paso 2: Calcular la fem media inducida usando la Ley de Faraday.
La magnitud de la fuerza electromotriz media inducida es de 3.77 × 10⁻² V (o 37.7 mV). El signo negativo indica la dirección de la fem, que se opone al aumento del flujo magnético según la Ley de Lenz.