Este tutorial explicará el concepto de CEM inductivo y cuándo se produce. También estudiaremos la inductancia como parámetro clave para la aparición del flujo magnético cuando aparece un campo eléctrico en un conductor.
La inducción electromagnética es la generación de corriente eléctrica mediante campos magnéticos que cambian con el tiempo. Gracias a los descubrimientos de Faraday y Lenz, las regularidades se formularon en leyes, que introdujeron la simetría en la comprensión de los flujos electromagnéticos. La teoría de Maxwell reunió los conocimientos sobre la corriente eléctrica y los flujos magnéticos. Gracias a los descubrimientos de Hertz, la humanidad conoció las telecomunicaciones.
Contenido
Flujo magnético
Alrededor de un conductor con corriente eléctrica aparece un campo electromagnético, pero paralelamente también se produce el fenómeno contrario, la inducción electromagnética. Consideremos el flujo magnético como ejemplo: si un marco conductor se coloca en un campo eléctrico con inducción y se mueve de arriba a abajo a lo largo de las líneas de fuerza magnéticas, o de derecha a izquierda perpendicular a ellas, entonces el flujo magnético a través del marco será un valor constante.
Si el marco gira alrededor de su eje, entonces después de algún tiempo el flujo magnético cambiará en una cierta cantidad. Esto producirá un EMF en el marco y una corriente eléctrica, que se llama corriente de inducción.
CEM inductivo
Entendamos el concepto de CEM inductivo en detalle. Cuando un conductor se coloca en un campo magnético y se mueve con el cruce de las líneas de campo, aparece en el conductor una fuerza electromotriz llamada EMF inductiva. También se produce si el conductor permanece inmóvil y el campo magnético se desplaza y cruza las líneas de campo con el conductor.
Cuando un conductor, en el que se genera un EMF, se pone en cortocircuito con un circuito externo, una corriente inductiva comienza a fluir a través del circuito debido a la presencia de este EMF. La inducción electromagnética consiste en el fenómeno de inducción de CEM en un conductor en el momento en que es atravesado por líneas de campo magnético.
La inducción electromagnética es el proceso inverso a la transformación de la energía mecánica en corriente eléctrica. Este concepto y sus leyes se utilizan ampliamente en ingeniería eléctrica y la mayoría de las máquinas eléctricas se basan en este fenómeno.
Faraday y Lenz
Las leyes de Faraday y Lenz representan las leyes de la inducción electromagnética.
Faraday reveló que los efectos magnéticos aparecen como resultado del cambio del flujo magnético en el tiempo. En el momento en que un conductor es atravesado por una corriente magnética alterna, se genera una fuerza electromotriz en el conductor, dando lugar a una corriente eléctrica. Tanto un imán permanente como un electroimán pueden generar corriente.
El científico descubrió que la intensidad de la corriente aumenta cuando el número de líneas eléctricas que cruzan el circuito cambia rápidamente. El CEM de la inducción electromagnética está en relación directa con el flujo magnético.
Según la ley de Faraday, la fórmula de la inducción electromagnética EMF se define como sigue:
E = - dF/dt.
El signo menos indica la relación entre la polaridad de la FEM inducida, la dirección del flujo y la velocidad cambiante.
Según la ley de Lenz, es posible caracterizar la fuerza electromotriz en función de su dirección. Cualquier cambio en el flujo magnético en la bobina da lugar a un CEM de inducción, produciéndose un CEM creciente cuando el cambio es rápido.
Si una bobina con EMF de inducción se pone en cortocircuito con un circuito externo, entonces fluye una corriente de inducción a través de ella, provocando un campo magnético alrededor del conductor y dando a la bobina las propiedades de un solenoide. Como resultado, se forma un campo magnético propio alrededor de la bobina.
E.H. Lenz estableció la ley según la cual se determina el sentido de la corriente de inducción en la bobina y el EMF de inducción. La ley establece que el EMF inductivo en la bobina forma una corriente en la bobina en la dirección en la que el flujo magnético dado de la bobina permite evitar un cambio en el flujo magnético extraño.
La ley de Lenz se aplica a todas las situaciones de inducción de la corriente eléctrica en los conductores, independientemente de su configuración o del método de modificación del campo magnético externo.
El movimiento de un cable en un campo magnético
El valor del CEM inducido se determina en función de la longitud del conductor atravesado por las líneas de campo. Con más líneas de fuerza, el valor del CEM inducido aumenta. A medida que el campo magnético y la inducción aumentan, surge un mayor valor de CEM en el conductor. Así, el valor del CEM en un conductor que se mueve en un campo magnético está en correlación directa con la inducción del campo magnético, la longitud del conductor y su velocidad.
Esta dependencia se refleja en la fórmula E = Blv, donde E es el EMF de la inducción; B es el valor de la inducción magnética; I es la longitud del conductor; v es la velocidad de su movimiento.
Obsérvese que en un conductor que se mueve en un campo magnético, la inducción de CEM aparece sólo cuando cruza las líneas de fuerza del campo magnético. Si el conductor se mueve a lo largo de las líneas de campo, entonces no se induce ningún CEM. Por esta razón, la fórmula sólo se aplica cuando el movimiento del conductor es perpendicular a las líneas de fuerza.
La dirección de la FEM inducida y de la corriente eléctrica en el conductor está determinada por la dirección del movimiento del propio conductor. Se ha desarrollado una regla de la derecha para revelar la dirección. Si se sostiene la palma de la mano derecha de forma que las líneas de campo entren en su dirección y el pulgar apunte en la dirección del conductor, entonces los cuatro dedos restantes muestran la dirección del CEM inducido y la dirección de la corriente eléctrica en el conductor.
Bobina giratoria
La función de un generador de corriente eléctrica se basa en la rotación de una bobina en un flujo magnético, donde hay un cierto número de bobinas. La FEM se induce en un circuito eléctrico siempre que lo atraviesa un flujo magnético, según la fórmula flujo magnético F = B x S x cos α (inducción magnética multiplicada por la superficie que atraviesa el flujo magnético y el coseno del ángulo formado por el vector de dirección y la perpendicular al plano de la línea).
Según la fórmula, F se ve afectado por los cambios de situación:
- un cambio en el flujo magnético cambia el vector de dirección;
- el área encerrada por el circuito cambia;
- el ángulo se cambia.
Se puede inducir una FEM cuando el imán está inmóvil o la corriente no cambia, pero simplemente girando la bobina alrededor de su eje dentro del campo magnético. En este caso, el flujo magnético cambia al cambiar el ángulo. La bobina cruza las líneas de flujo magnético al girar, lo que da lugar a un CEM. Con la rotación uniforme, hay un cambio periódico en el flujo magnético. También el número de líneas de fuerza, que se cruzan cada segundo, se igualan en intervalos de tiempo iguales.
En los generadores de corriente alterna, en la práctica, la bobina permanece inmóvil y el electroimán gira a su alrededor.
CEM de autoinducción
Cuando una corriente eléctrica alterna pasa por una bobina, se genera un campo magnético alterno, caracterizado por un flujo magnético cambiante que induce un CEM. Este fenómeno se llama autoinducción.
Dado que el flujo magnético es proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica, la fórmula del CEM de autoinducción es entonces la siguiente
F = L x I, donde L es la inductancia, que se mide en Gn. Su valor viene determinado por el número de vueltas por unidad de longitud y el tamaño de su sección transversal.
Inducción mutua
Cuando dos bobinas se colocan una al lado de la otra, exhiben una FEM de inducción mutua que está determinada por la configuración de los dos circuitos y su orientación mutua. A medida que aumenta la separación de los circuitos, el valor de la inductancia mutua disminuye ya que hay una disminución del flujo magnético común a las dos bobinas.
Veamos con más detalle cómo se produce la inducción mutua. Hay dos bobinas, por el hilo de una de ellas con N1 vueltas circula una corriente I1, que crea un flujo magnético y pasa por la segunda bobina con N2 número de vueltas.
El valor de la inductancia mutua de la segunda bobina en relación con la primera:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valor del flujo magnético:
F21 = (M21/N2) x I1.
El CEM inducido se calcula mediante la fórmula:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
En la primera bobina el valor del EMF inducido es:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Es importante señalar que la fuerza electromotriz inducida por la inducción mutua en una de las bobinas es, en cualquier caso, directamente proporcional a la variación de la corriente eléctrica en la otra bobina.
Se supone entonces que la inductancia mutua es igual a:
M12 = M21 = M.
En consecuencia, E1 = - M x dI2/dt y E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), donde K es el factor de acoplamiento entre los dos valores de la inductancia.
La interinducción se utiliza mucho en los transformadores, que permiten cambiar los valores de una corriente eléctrica alterna. El dispositivo es un par de bobinas que se enrollan en un núcleo común. La corriente en la primera bobina forma un flujo magnético variable en el núcleo magnético y la corriente en la segunda bobina. Con menos vueltas en la primera bobina que en la segunda, la tensión aumenta, y en consecuencia con más vueltas en la primera bobina, la tensión disminuye.
Además de la generación y transformación de energía eléctrica, el fenómeno de la inducción magnética se utiliza en otros dispositivos. Por ejemplo, en los trenes de levitación magnética, que se mueven sin contacto directo con la corriente en los raíles, sino un par de centímetros más arriba debido a la repulsión electromagnética.
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