Inducción electromagnética

Cuando el cable se enrolla en una bobina, el campo magnético se intensifica y se crea un campo magnético estático a su alrededor, que forma la forma de una barra magnética con un polo norte y sur diferente.

Bobina hueca de núcleo de aire

El flujo magnético desarrollado alrededor de la bobina es proporcional a la cantidad de corriente que fluye en los devanados de la bobina como se muestra. Si se enrollaran capas adicionales de alambre en el mismo carrete con la misma corriente fluyendo a través de ellas, la fuerza del campo magnético estático aumentaría.

Por lo tanto, la intensidad del campo magnético de una bobina está determinada por los amperios vueltos de la bobina. Cuantas más vueltas de cable haya en la bobina, más fuerte será el campo magnético estático a su alrededor.

Pero, ¿qué pasa si invertimos esta idea desconectando la corriente eléctrica de la bobina y en lugar de un núcleo hueco, colocamos una barra magnética en el núcleo de la bobina de alambre? Al mover esta barra magnética «dentro» y «fuera» de la bobina, se inducirá una corriente en la bobina por el movimiento físico del flujo magnético en la bobina.

Si mantuviéramos la barra magnética estacionaria y moviéramos la bobina hacia adelante y hacia atrás dentro del campo magnético, también se induciría una corriente eléctrica en la bobina. Entonces podemos inducir un voltaje y una corriente en la bobina moviendo el cable o cambiando el campo magnético. Este proceso se conoce como inducción electromagnética y es el principio básico detrás del funcionamiento de transformadores, motores y generadores.

La inducción electromagnética fue por la década de 1830 descubierta por Michael Faraday. Faraday señala que cuando se mueve un imán permanente y una bobina o un solo bucle de alambre lo induce, se produce Fuerza ElectroMotriz o EMF, en otras palabras, se produce un voltaje, es decir, una corriente.

Lo que Michael Faraday descubrió fue una forma de crear corriente eléctrica en un circuito utilizando solo la fuerza de un campo magnético y no baterías. Esto luego llevó a una ley muy importante que vincula la electricidad con el magnetismo, la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday. ¿Cómo funciona?

Cuando el imán que se muestra a continuación se mueve «hacia» la bobina, el puntero o aguja del galvanómetro, que es básicamente un amperímetro muy sensible con una bobina móvil, solo se desviará en una dirección desde su posición central. Cuando el imán deja de moverse y se mantiene estacionario con respecto a la bobina, la aguja del galvanómetro volverá a cero porque el campo magnético no tiene movimiento físico.

Cuando el imán se mueve en la otra dirección alejándose de la bobina, la aguja del galvanómetro se desvía en la dirección opuesta con respecto a la primera dirección, lo que indica un cambio de polaridad. Al mover el imán hacia adelante y hacia atrás en la dirección de la bobina, la aguja del galvanómetro se desvía hacia la izquierda o hacia la derecha, positiva o negativa, en relación con el movimiento direccional del imán.

Inducción electromagnética por un imán en movimiento.

Si el imán ahora se mantiene estacionario y SÓLO la bobina se mueve hacia o lejos del imán, la aguja del galvanómetro también se desviará en ambas direcciones. Entonces, el movimiento de una bobina o un bucle de alambre a través de un campo magnético induce un voltaje en la bobina, siendo la magnitud de este voltaje inducido proporcional a la velocidad o velocidad del movimiento.

Entonces podemos ver que cuanto más rápido es el movimiento del campo magnético, mayor es la fem inducida o el voltaje en la bobina. Para que se aplique la ley de Faraday, debe haber un «movimiento relativo» o movimiento entre la bobina y el campo magnético y el campo magnético, la bobina o ambos pueden moverse.

Ley de inducción de Faraday

De la descripción anterior se puede decir que existe una relación entre un voltaje eléctrico y un campo magnético cambiante, a lo que la famosa ley de inducción electromagnética de Michael Faraday dice: “que se induce un voltaje en un circuito cuando un movimiento relativo  entra constante en conductores y un campo magnético y que la magnitud de este voltaje es proporcional a la tasa de cambio del flujo ”.

En otras palabras, la inducción electromagnética es el proceso de utilizar campos magnéticos para crear voltaje y, en un circuito cerrado, electricidad.

Entonces, ¿cuánto voltaje (EMF) se puede inducir en la bobina con solo magnetismo? Bueno, esto está determinado por los siguientes 3 factores diferentes.

• 1). Aumentar la cantidad de vueltas de cable en la bobina: al aumentar la cantidad de conductores individuales que atraviesan el campo magnético, la cantidad de fem inducida producida es la suma de todos los bucles individuales de la bobina. Entonces, si hay 20 vueltas, la bobina tiene una fem inducida 20 veces mayor que en un trozo de cable.
• 2). Aumento de la velocidad del movimiento relativo entre la bobina y el imán: si la misma bobina de alambre pasa por el mismo campo magnético pero su rapidez o velocidad es aumentada, el alambre cortará las líneas de flujo a una velocidad más rápida, lo que inducirá más fem a ser producido.
• 3). Aumento de la fuerza del campo magnético: cuando la misma bobina de alambre se mueve a la misma velocidad a través de un campo magnético más fuerte, se crea más fem porque hay más líneas de fuerza para cortar.

Si pudiéramos mover el imán dentro y fuera de la bobina a una velocidad y distancia constantes sin detenernos, crearíamos un voltaje inducido continuamente que alternaría entre polaridad positiva y polaridad negativa y produciría una CA o La salida de CA produciría voltaje y este es el principio básico de cómo funciona un generador eléctrico similar al de los dinamos y los alternadores.

Con pequeños generadores como la dinamo de una bicicleta, un pequeño imán permanente gira en una bobina fija por la acción de la rueda de la bicicleta. Alternativamente, se puede hacer girar un electroimán alimentado por una tensión continua fija dentro de una bobina fija, como es el caso de los grandes generadores de energía, que generan una corriente alterna en ambos casos.

Generador simple con inducción magnética

El generador de tipo dínamo simple anterior consiste en un imán permanente que gira alrededor de un eje central con una bobina de alambre colocada junto a este campo magnético giratorio. A medida que el imán gira, el campo magnético alrededor de la parte superior e inferior de la bobina cambia constantemente entre un polo norte y un polo sur. Este movimiento de rotación del campo magnético hace que se induzca una fem alterna en la bobina según lo definido por la ley de inducción electromagnética de Faraday.

El tamaño de la inducción electromagnética es directamente proporcional a la densidad de flujo, β al número de bucles que componen una longitud total del conductor, l en metros y a la rapidez o velocidad ν a la que cambia el campo magnético dentro del conductor en metros / segundo om / s dado por el término fem de movimiento:

Término fem de movimiento de Faraday

Si el conductor no se mueve en ángulo recto (90 °) al campo magnético, el ángulo θ ° se suma a la expresión anterior dando una salida reducida que el ángulo aumenta:

La ley de Lenz de inducción electromagnética

Establece que la inducción de un voltaje en un conductor se puede hacer pasando un campo magnético a través o moviendo el campo magnético más allá del conductor y que si ese conductor es parte de un Im cerrado, la corriente eléctrica fluye a través del circuito. Este voltaje se llama fem inducida porque fue inducido en el conductor por un campo magnético cambiante debido a la inducción electromagnética con el signo negativo en la ley de Faraday e indica la dirección de la corriente inducida (o la polaridad de la fem inducida).

Sin embargo, un flujo magnético cambiante crea una corriente variable a través de la bobina, que a su vez crea su propio campo magnético, como vimos en el tutorial Electroimanes. Esta fem autoinducida resiste el cambio que causa, y cuanto más rápida es la tasa de cambio en la corriente, mayor es la fem opuesta. Esta fem autoinducida contrarrestará el cambio de corriente en la bobina de acuerdo con la ley de Lenz y, debido a su dirección, está fem autoinducida se denomina comúnmente fem inversa.

La ley de Lenz establece: «La dirección de un campo electromagnético inducido es tal que siempre se opone al cambio que causa». En otras palabras, una corriente inducida siempre contrarrestará el movimiento o cambio que desencadenó la corriente inducida en primer lugar, y esta idea se puede encontrar en el análisis de inductancia.

Cuando se reduce el flujo magnético, la fem inducida contrarrestará esa disminución creando e induciendo un flujo magnético inducido que se suma al flujo original.

La ley de Lenz es una de las leyes básicas de la inducción electromagnética para determinar la dirección del flujo de las corrientes inducidas y está relacionada con la ley de conservación de la energía.

De acuerdo con la ley de conservación de la energía, que dice que la cantidad total de energía en el universo siempre permanece constante, ya que la energía no se puede crear ni destruir. La ley de Lenz se deriva de la ley de inducción de Michael Faraday.

Un comentario final sobre la ley de Lenz sobre inducción electromagnética. Ahora sabemos que cuando hay un movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético, se induce una fem dentro del conductor.

Sin embargo, el conductor puede no ser realmente parte del circuito de las bobinas, pero puede ser el núcleo de hierro de las bobinas o alguna otra parte metálica del sistema, por ejemplo, un transformador. La fem inducida en esta parte metálica del sistema hace que una corriente circulante fluya a su alrededor, y este tipo de núcleo con corriente se conoce como corriente parásita.

Las corrientes de Foucault generadas por inducción electromagnética circulan alrededor del núcleo de la bobina o cualquier componente metálico de conexión dentro del campo magnético, ya que actúan como un solo bucle de cable al flujo magnético. Las corrientes de Foucault no añaden nada a la utilidad del sistema, pero contrarrestan el flujo de la corriente inducida actuando como una fuerza negativa que crea resistencia al calentamiento y pérdida de potencia dentro del núcleo. Sin embargo, existen aplicaciones de hornos de inducción electromagnética que solo utilizan corrientes parásitas para calentar y fundir metales ferromagnéticos.

Corrientes de Eddy que circulan en un transformador

El flujo magnético cambiante en el núcleo de hierro de un transformador anterior induce un EMF no solo en los devanados primario y secundario, sino también en el núcleo de hierro. El núcleo de hierro es un buen conductor, por lo que las corrientes inducidas en un núcleo de hierro sólido son grandes. Además, las corrientes parásitas fluyen en una dirección que, según la ley de Lenz, debilita el flujo generado por la bobina primaria. Como resultado, la corriente en la bobina primaria requerida para producir un campo B requerido dado aumenta de modo que las curvas de histéresis son más gruesas a lo largo del eje H.

La laminación del núcleo de hierro

La corriente parásita de la pérdida por histéresis no se pueden eliminar por completo, pero se pueden reducir en gran medida. En lugar de tener un núcleo de hierro sólido como material del núcleo magnético del transformador o bobina, la trayectoria magnética está «laminada».

Estas laminaciones son tiras muy delgadas de metal aislado (generalmente lacado) que se unen para formar un núcleo sólido. Las aletas aumentan la resistencia del núcleo de hierro, aumentando así la resistencia general al flujo de corrientes parásitas, reduciendo así la pérdida de corriente inducida en el núcleo, y por esta razón el circuito magnético de hierro de los transformadores y máquinas eléctricas están todos laminados.