A través del presente artículo conocerás la base de lo que es la tecnología en nuestra vida cotidiana. Porque todo gira en torno a la inducción electromagnética. El desarrollo de nuestra creciente civilización ha tenido dependencia de ella. Ejemplos podrían ser los generadores eléctricos, trasformadores, el Motor Eléctrico, hornos de inducción, baterías, osciladores, entre otros.
Conceptos previos a la Inducción Electromagnética
Antes de dar inicio a nuestro contenido, es importante hacer mención del significado de algunos conceptos, los cuales son:
Inducción
Se tiene que la inducción corresponde al procedimiento en el que se realiza la carga de un objeto. Sin que se ejecute un contacto directo con el mismo.
Inducir
Es cuando es realizada una acción y a la vez esta produce que se ejecute otra como respuesta.
Corriente inducida
Así se llama a la corriente que es creada a través de la reacción de un campo magnético.
Inducción Eléctrica
Se tiene que la inducción eléctrica es la creación de la electricidad producto de una reacción que lo motive. Donde la inducción electromagnética es la manera común de generar la misma.
Carga por Inducción o Electrización
Es cuando se tiene un cuerpo cargado eléctricamente (inductor), y este se acerca a otro cuerpo que se encuentra neutro (sin carga) y hace que se origine una redistribución de las cargas eléctricas, donde la respuesta es atraerlo.
Esto se produce por la reordenación de las cargas del cuerpo que se encuentra cargado al acercarse al cuerpo que se haya neutro, es decir, una interacción eléctrica.
Campo Magnético
Un campo magnético será el espacio en el que el imán tiene efecto magnético, es decir, es el espacio donde se hacen presente o se manifiestan las acciones que les hace actuar.
En otras palabras, es el espacio entre lo imantado y lo que tiene una carga contraria produciendo su atracción.
Campo Eléctrico
Así se le llama al espacio o región del espacio donde hay electricidad estática.
Campo de Fuerzas Magnéticas
Es el espacio que hay entre la fuerza que produce el movimiento o acción y el cuerpo que lo recibe manifestando la actividad.
Inducción Electromagnética
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas, que son inducidas, a través de campos magnéticos. Donde los mismos son variables en el tiempo.
Por lo tanto, la inducción electromagnética será el evento que origina la producción de una fuerza hacia un cuerpo o medio que se haya expuesto. Por medio de los campos magnéticos que son variables.
También se puede dar a través de un cuerpo que se encuentra móvil hacia un campo magnético estático. En este caso, el cuerpo móvil es un inductor y la corriente que se produce es inducida.
Respecto a lo que es el mundo de la ciencia y la tecnología, sin hacer a un lado la sociedad. La inducción electromagnética posee incontables aplicaciones. Algunos ejemplos de ellos son los transformadores y generadores de corriente eléctrica. Así como también hornos de inducción y variados controles y frenos magnéticos, osciladores, entre otros.
El descubrimiento de la «Inducción Electromagnética»
Este maravilloso fenómeno de la inducción electromagnética, le es atribuido su descubrimiento al científico Michael Faraday. Produciéndose un 29 de agosto del año 1831.
Para llegar a este sucedió lo siguiente: el científico Oersted inicialmente había descubierto que una corriente eléctrica producía un campo magnético. Esto fue al tener un cable cargado eléctricamente por donde había circulación y se manifestó la presencia a su alrededor de un campo magnético.
Esta experiencia despertó la curiosidad de algunos físicos de la época, entre ellos Michael Faraday. Quien usando su imaginación recreó numerosos experimentos con el fin de indagar sobre la posible relación entre la electricidad y el magnetismo.
Por lo que se hizo posible que se manifestara la idea de hacerlo de forma contraria, es decir, producir la corriente eléctrica. En este caso sería a través de los campos magnéticos.
Es cuando se presenta que Michael Faraday alcanzó a determinar y especificar todas y cada una de las condiciones necesarias para que ocurriese la inducción electromagnética.
La deducción sobre la «Inducción Electromagnética»
En resumen, llega a descubrir la manera de crear, producir o generar la corriente eléctrica a través de un campo magnético y un movimiento.
Posteriormente, Michael Faraday le dio el nombre de corrientes inducidas, a las corrientes eléctricas que son generadas o producidas por medio de campos magnéticos.
De aquí en adelante es que se le llama inducción electromagnética a la creación de un Plano Eléctrico a partir de los campos magnéticos variables.
Por otro lado, la inducción electromagnética es una pieza clave y fundamental en la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Al cual se le denomina electromagnetismo.
Experimento de Michael Faraday sobre la Inducción Electromagnética
En el año 1831, tras realizar varios experimentos, Michael Faraday, tomó un cable y lo enrolló usando la mitad de un anillo de hierro. Un extremo lo conectó al polo positivo de una pila, mientras que el otro extremo lo dejó libre. Al polo negativo de la pila le conectó un cable que igualmente dejó libre.
Luego toma otro cable que enrolla a la mitad restante del anillo de hierro. Este otro cable no tendría pila. Donde su idea inicial era muy sencilla. Suponía que si una corriente eléctrica era capaz de generar un campo magnético, seguramente un campo magnético podría ser igualmente capaz de generar una corriente eléctrica.
Esto lo motiva a colocar un detector en el segundo cable que enrolló al anillo de hierro. Conecta el primer circuito compuesto por la pila y funciona perfectamente.
Para él fue impresionante observar que al conectar la pila y por supuesto tener un campo magnético, en el segundo cable no se manifestaba corriente. El comportamiento era indistinto si se conectaba o no la pila.
Tras repetirlo detecta que en el preciso momento en que conecta o desconecta la pila se genera una corriente eléctrica en el segundo circuito.
Aquí se evidenciaba que no es la presencia del campo magnético quien induce la corriente en el circuito que se haya sin pila, sino es la variación del campo magnético lo que llega a producir la corriente.
La otra situación que observó fue que cuando lo encendía la aguja se movía hacia un lado y cuando lo apagaba se movía hacia el sentido contrario. Lo único seguro y cierto es que en la transición existente entre el encendido y el apagado el detector percibía corriente. Teniendo en cuenta que el tiempo entre ambos es sumamente corto.
Análisis de un Ensayo de Michael Faraday
El descubrimiento de la inducción electromagnética, realizado por Michael Faraday se puede visualizar fácilmente a través del análisis de las siguientes figuras:
La correspondiente a la figura (a), representa una imán en reposo, el cual se encuentra colocado en la parte interna de un solenoide. Que viene siendo el conductor eléctrico siendo su forma una hélice cilíndrica.
Sus extremos se hayan conectados a un amperímetro. Aquí la observación es que cuando el imán se encuentra en reposo con respecto a la bobina, el amperímetro no registrará paso de corriente eléctrica.
En la figura (b), se representa un imán que se pone en movimiento apartándolo de la bobina. Para este caso, el amperímetro registra el pase de corriente hacia las espiras del solenoide. Igualmente se observa que si el imán se detiene repentinamente la corriente generada también se detendrá.
Para la figura (c), se representa lo inverso, esta vez se introduce el imán, es decir, se acercará al solenoide. Aquí el amperímetro vuelve a registrar pase de corriente hacia las espiras. Con la diferencia de que la aguja se mueve hacia el sentido contrario respecto a la figura (b).
Ahora si se ejecuta el experimento de forma inversa, dejando fijo (reposo) el imán y moviendo el solenoide para el caso (b) y (c) se observará que la situación registrada se mantiene sin cambio alguno.
Conclusión
De estas observaciones es que Michael Faraday dedujo la denominación de la inducción electromagnética. La cual dice que es el fenómeno de la creación de un Divisor de Corriente en un circuito. Siendo los mismos derivados de los efectos del campo magnético. Por lo que cuando la corriente es originada de esta manera recibe la denominación de corriente inducida.
La Autoinducción
Cómo se llegó a mencionar, Oersted fue quien de forma inicial descubre que por medio de un conductor o espira en el que a su vez circula una corriente eléctrica. Este origina o crea a su alrededor un campo magnético.
Donde principalmente se tiene que el campo magnético dependerá de la intensidad de corriente que circule por el conductor o espira e igualmente del sentido en que se ejecute.
Cuando es variable la corriente que circula por la bobina, también será variable el campo magnético producido. En el que el campo magnético ocasionado por la corriente producirá a su vez otra corriente a través del conductor o espira. Pero en sentido opuesto al efecto que lo produce.
Lo anterior ocasionará que se presente una resistencia eléctrica respecto al paso de la corriente que es la original.
Todo el fenómeno descrito es lo que se denomina “Autoinducción”. En resumen se puede decir que:
La autoinducción es el fenómeno generado de origen electromagnético que se presenta en los sistemas físicos. El cual manifiesta las llamadas corrientes inducidas en el circuito. Donde cada una es originada por la variación del flujo de la corriente inicial.
Por consiguiente, a la corriente que es inducida de esa forma se le llama “Corriente de autoinducción”.
De lo cual se tiene que la corriente de autoinducción es proporcionada por la fuerza electromotriz que se origina a través del campo magnético variable. Donde este a su vez corta los conductores de la bobina y es generado por la corriente variable del conductor o espiras. A esto se le llama “Fuerza electromotriz de autoinducción”.
Es importante aclarar que la corriente variable puede ser una corriente variable o también una corriente continua. Siempre y cuando la misma se le produzca la variación de alguna forma.
Fórmula
Este fenómeno presentado en las bobinas se debe tener presente en lo referente a la corriente alterna. Por otro lado, la resistencia ejercida por este fenómeno es lo que se denomina “Reactancia Inductiva”.
Reactancia Inductiva = XL = L*w
La unidad de la Reactancia Inductiva es el “ohmios”.
L es el coeficiente de autoinducción de la bobina.
Producción de la Corriente Alterna
Cuando en el fenómeno de la autoinducción, la espira o conductor sigue girando, se tendrá un instante en que las direcciones de las corrientes eléctricas serán distintas. Esto es lo que hace que la corriente que se produzca se denomine “Corriente alterna”.
Justo en la fracción media del movimiento de la espira o conductor generado por el campo magnético. Se tendrá un sentido de la corriente y en la otra parte se presentará la misma de forma contraria.
Siempre se debe recordar que la corriente inducida varía como lo demostró en su momento Michael Faraday. En el que confirmó que mientras más líneas del campo magnético llegaban a cortar el conductor o espiras, más corriente eléctrica se producía.
Un ejemplo de las corrientes alternas, son las que producen los alternadores en las centrales eléctricas o también las usadas en las tomas de corriente de nuestras viviendas.
El motivo que hace que esta corriente sea de uso normal o habitual es su facilidad en cuanto a su generación y transportación. El ciclo de onda que produce esta corriente es usualmente 50Hz. Lo que significa que produce un ciclo de onda 50 veces por cada segundo.
La onda que produce se le denomina “onda senoidal” y es la de uso cotidiano. Por ser la recibida en nuestros hogares.
Valores característicos de la Corriente Alterna
La corriente alterna posee según su curva senoidal ciertos valores característicos los cuales son:
Valor instantáneo (tomado en un instante de la onda):
v(t) = Vmáx*Sen(Φ)
Valor máximo (máximo valor que la señal alterna toma durante un ciclo):
Vmáx
Valor mínimo (mínimo valor que la señal alterna toma durante un ciclo). Es el mismo valor máximo tomado pero con signo contrario:
Vmín (Vmín = -Vmáx)
Valor de cresta o de pico, el cual coincide con el valor máximo para una única señal alterna.
Valor de pico a pico, el cual es la diferencia de amplitud entre el pico y el valle de la señal. En otras palabras, es la diferencia entre el valor máximo y el valor mínimo.
Valor de pico a pico = Vmáx – Vmín
Valor eficaz, el cual es el valor recibido, que en las mismas condiciones genera iguales efectos caloríficos en una resistencia eléctrica. Que una magnitud, es decir, tensión o intensidad continua del mismo valor:
Vefi = Vmáx/√2
Frecuencia de la onda, es el número de ciclos de la onda que se repiten durante cada segundo. Su unidad es el Hertzios (Hz).
Periodo (T). Su valor es la duración del ciclo de la onda y es la inversa de la frecuencia de la onda.
Velocidad angular, es el ángulo girado por la onda en la unidad de tiempo (radianes/segundo). Se identifica con la letra “w”. Para un ciclo la velocidad angular son 2π radianes.
w = 2*π
Amplitud de la señal, la misma corresponde a la distancia entre 2 picos o valles.
Es importante tener presente que tanto la curva de corriente alterna, que es la generada por el alternador y la curva de la intensidad siempre tendrán igual forma senoidal. Su diferencia está en el valor máximo que registra cada una.
Fórmulas en la Inducción Electromagnética
Las fórmulas a utilizar para el cálculo de las distintas magnitudes presentes en la inducción electromagnética son las siguientes:
Flujo magnético
Φ = B * S * Cosα
Donde: Φ es el Flujo (Weber); B es la Inducción (Tesla); S es la superficie en metro cuadrado y α es el ángulo que forma el vector inducción con la normal a la superficie S.
Fuerza magnetomotriz
F = N * I
Donde: F es la fuerza (Amperio – vuelta); N es el número de espiras e I es la intensidad en Amperios.
Excitación magnética
H = F / L
Donde: H es la excitación (Amperio – vuelta/m); F es la fuerza magnetomotriz y L es la longitud en metros.
Inducción en el vacío
Bo = μo * H
Donde: Bo es la inducción en el vacío (Tesla); μo es la permeabilidad (4*π*10exp7) y H es la excitación (Amperio – vuelta/m).
Inducción
B = μ * Bo
Donde: B es la inducción (Tesla); μ es la permeabilidad relativa del material y Bo es la inducción en el vacío.
Trabajo de las fuerzas electromagnéticas
W = Φ * I
Donde: W es el trabaja en Julios; Φ es el flujo (Weber) e I es la intensidad en amperios.
Fuerza electromotriz inducida
De esta se disponen tres ecuaciones las cuales son:
E = B * L * v
Donde: E es la fuerza electromotriz en voltios; B es la inducción (Tesla); L es la longitud en metros y v es la velocidad en (m/s).
E = -N * ΔΦ/Δt
Donde: E es la fuerza electromotriz en voltios; N es el número de espiras; ΔΦ es la variación de flujo (Weber) y Δt es la variación del tiempo en segundos.
E = -L * ΔI/Δt
Donde: E es la fuerza electromotriz en voltios; L es el coeficiente de autoinducción en Henrios (Hz); ΔI es la variación de intensidad y Δt es la variación del tiempo en segundos.
