Leyes de Induccion de Faraday

Los experimento de Michael Faraday en Inglaterra en 1831 y los efectuados de forma independiente por Joseph Henry ese mismo año mostraron que es posible inducir una fuerza electromotriz (fem) en un circuito utilizando un campo magnético variable. Los resultados de estos experimentos sirvieron como base para enunciar una ley básica y muy importante de electromagnetismo que se conoce como la ley de inducción de Faraday. Una fem (y, por lo tanto, también una corriente) puede ser inducida por varios procesos que involucran un cambio en el flujo magnético.

Con el análisis de la ley de Faraday, completamos nuestro trabajo de introducción a las leyes fundamentales de electromagnetismo.

A fin de poder observar cómo es posible inducir una fem debido a un campo magnético cambiante, consideremos una espira de alambre conectada a un amperímetro sensible. Cuando  el imán se acerca a la espira, la aguja del galvanómetro se desvía en una dirección. En cuanto se deja el imán en reposo y se mantiene estacionario en dirección con la espira, no se observa deflexión alguna. Cuando el imán se alejado de la espira, la aguja se desvía en dirección opuesta. Finalmente, si el imán se mantiene estacionario y la espira se mueve ya sea hacia el imán o en la dirección opuesta, la aguja se desviará. A partir de estas observaciones, concluimos que la espira detecta que el imán se está moviendo respecto a la espira, y esta detección la correlacionamos con un cambio en el campo magnético. Entonces, parece existir una relación entre la corriente y un campo magnético cambiante.

Estos son realmente notables dado que ¡se establece una corriente a pesar de que no existe una batería presente en el circuito! A esta corriente se le conoce como corriente inducida, y se dice que es el producto de una fem inducida.

Describamos ahora un experimento conducido por Faraday. Una bobina primaria se conecta a un interruptor y a una batería. La bobina se enrolla alrededor de un anillo de hierro, y una corriente a través de una bobina producirá un campo magnético al cerrarse el interruptor. Una bobina secundaria también esta enrollada alrededor del anillo y se encuentra conectada a un amperímetro sensible. En el circuito secundario no hay batería alguna, y este circuito no está conectado eléctricamente con la bobina primaria. Cualquier corriente que se detecte en la bobina secundaria deberá haber sido inducida por algún agente externo.

Inicialmente, se pudiera pensar que nunca podrá detectarse una corriente en el circuito secundario. Sin embargo, cuando se abre o se cierra el interruptor existente en el circuito primario, ocurre algo bastante asombroso. En el momento en que se cierra el interruptor, la aguja del galvanómetro se

mueve en una dirección y de inmediato regresa a cero. En el instante en que abre el interruptor se abre, la aguja presenta un movimiento en la dirección opuesta y de nuevo vuelve a cero. Finalmente el galvanómetro marca cero cuando existe una corriente estable o no existe corriente en el circuito primario. La clave para primero comprender lo que está ocurriendo en este experimento considerar que cuando el interruptor está cerrado, la corriente en el circuito primario genera un campo magnético que penetra en el circuito secundario. Además, cuando el interruptor está cerrado, el campo magnético producido por la corriente en el circuito primario cambia de cero a algún valor durante un periodo finito de tiempo, y este cambio cambiante induce una corriente en el circuito secundario.

Como resultado de estas observaciones, Faraday concluyo que en un circuito (en este caso el circuito secundario) es posible inducir una corriente eléctrica mediante un campo magnético cambiante. La corriente inducida existe solo durante un corto periodo de tiempo mientras el campo magnético que pasa a través de la bobina secundaria este cambiando. En cuanto el campo magnético alcanza un valor estable, la corriente en la bobina secundaria desaparece. En efecto, el circuito secundario se comporta como si se hubiera conectado a una fuente de fem durante un breve lapso. Es habitual decir que una fem inducida se produce en el circuito secundario debido al campo magnético cambiante.

Los experimentos mostrados tienen algo en común: en ambos casos se induce una fem en el circuito cuando el flujo magnético a través del circuito cambia con el espacio tiempo. En general,

La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético a través del circuito.

Este enunciado, conocido como ley de Inducción de Faraday, puede escribirse de la forma

Donde Φ_B = ∫B*dA es el flujo magnético a través del circuito.

Si el circuito se trata de una bobina formada por N espiras, todas ellas de la misma superficie, y si Φ_B es el flujo magnético a través de una espira, habrá una fem inducida en todas las espiras. Las espiras están en serie, por lo que sus fem se suman; de ahí que la fem total inducida en la bobina este dada por la expresión

El signo negativo que aparece en las ecuaciones es de un significado físico de importancia, como se analizara en la sección.

Suponga que una espira que encierra una superficie de A se encuentra en un campo magnético uniforme B, como se ve en la figura. El flujo magnético a través de la espira es igual a BA cos Θ; de ahí que la fem inducida puede expresarse como

De esta expresión, observamos que una fem puede ser inducida en el circuito de varias formas:

·         La magnitud de B puede cambiar con el transcurso del tiempo.

·         El área encerrada por la espira puede cambiar con el transcurso del tiempo.

·         El ángulo Θ existente entre B y la normal de la espira puede cambiar con el transcurso del tiempo.

·         Cualquier combinación que puede ocurrir entre los tres puntos anteriores.