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Pasa a la sección titulada Corrientes eléctricas causadas por magnetismo.
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En esta sección, vas a estudiar cómo las fuerzas magnéticas pueden crear una
corriente eléctrica y verás cómo se aplica este concepto a los generadores que producen
electricidad. También aprenderás cómo se utilizan los transformadores para aumentar o
disminuir el voltaje.
¿Es posible que haya corriente en un cable sin que esté conectado a una batería o a
otra fuente de voltaje? En 1831, Michael Faraday descubrió que podía generarse una
corriente empujando un imán a través de una bobina de cable. En otras palabras, Faraday
descubrió que, al meter y sacar un imán de una bobina de cable, las cargas del cable se
mueven. Este proceso se denomina inducción electromagnética.
El descubrimiento de la inducción electromagnética realizado por Faraday llevó a
una de las leyes de la física: la ley de Faraday. La ley de Faraday afirma que:
Un campo magnético cambiante puede producir una corriente eléctrica
en un circuito.
En la Figura 13, se muestra cómo funciona la ley de Faraday. En esta figura, fíjate
en que un bucle de cable se desplaza entre dos polos magnéticos. Cuando el bucle entra y
sale del campo magnético del imán, se induce una corriente en el circuito o bucle de cable.
Las flechas de la Figura 13 muestran la dirección del movimiento del bucle y la dirección
del campo magnético. Examina las direcciones de estas flechas. ¿Cuál es la relación entre la
dirección del bucle y la dirección del campo magnético? [pause] Si tu respuesta fue que
forman un ángulo recto entre las dos, estabas en lo cierto. Siempre y cuando el cable salga
o entre del campo en una dirección que no sea paralela al campo magnético, existirá una
corriente inducida en el circuito.
Si se gira el circuito o se cambia la fuerza del campo magnético, también se inducirá
una corriente en el circuito. En cada uno de los casos, hay un campo magnético cambiante
que pasa a través del bucle. Puedes usar el concepto de líneas de campo magnético para
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predecir si se va a inducir una corriente. Se inducirá una corriente si cambia el número de
líneas de campo que pasa por el bucle.
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Después de lo que has aprendido hasta ahora, podrías pensar que la inducción
electromagnética crea energía a partir de nada. Pero eso no es cierto. La inducción
electromagnética no viola la ley de conservación de la energía. Para introducir un imán en
un campo eléctrico hace falta fuerza. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más fuerza
hace falta para conseguir que el imán lo atraviese. La energía para esa fuerza tiene un origen
externo, como, por ejemplo, tus músculos cuando empujas el bucle a través del imán. Así
que, mientras se produce energía eléctrica por inducción electromagnética, hace falta
energía para mover el bucle o el imán.
Ahora, vamos a ver qué pasa con las cargas individuales de un cable durante la
inducción electromagnética. Cada una de las partículas cargadas experimenta una fuerza
debido al campo magnético. Los experimentos realizados han demostrado que esta fuerza
magnética es igual a cero cuando la carga se desplaza en la misma dirección o en la opuesta
a la de las líneas de campo magnético. La fuerza magnética alcanza su máximo cuando la
carga se mueve de forma perpendicular a las líneas de campo magnético. Cuando
disminuye el ángulo entre la dirección de la carga y la dirección del campo magnético,
disminuye la fuerza en la carga.
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Ahora, vamos a aplicar este concepto a la corriente. En la Figura 14, se muestra un
cable que puede ser portador de una corriente. Imagina que el cable tiene un tubo lleno de
cargas. En la Figura 14A, se muestra lo que ocurre cuando el cable se mueve de forma
perpendicular a un campo magnético. La fuerza de las cargas está ahora al máximo. En este
caso, habrá una corriente en el cable y el circuito. En la Figura 14B, se muestra lo que
ocurre cuando el cable se mueve de forma paralela a un campo magnético. La fuerza en las
cargas es de cero. En este caso, no habrá ninguna corriente en el cable ni en el circuito.
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Como las cargas se desplazan paralelas al campo magnético, las cargas no experimentan
ninguna fuerza magnética.
Los generadores convierten energía mecánica en energía eléctrica.
Un generador es un dispositivo que usa la inducción magnética para convertir
energía mecánica en energía eléctrica. En la Figura 15, se ilustra un generador simple. La
energía mecánica provoca que el bucle de cable interno gire dentro de un campo magnético.
Cuando gira el bucle, se produce una corriente. En cada media rotación del bucle, se
invierte la dirección de la corriente. Este tipo de generador se llama generador de corriente
alterna o AC. Los generadores que sirven para producir la energía eléctrica que usas en tu
casa y en casi todo el mundo son los generadores AC.
Observa, en la Figura 15, que la bombilla está encendida. Esto indica que la bobina
que gira en el campo magnético de un imán crea una corriente. La magnitud y dirección de
esta corriente dependen de la orientación del bucle en el campo magnético.
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En la Tabla 1, se muestra cómo varía con el tiempo la magnitud de la corriente
producida por un generador AC. Como puedes ver en la tabla 1, cuando el bucle es
perpendicular al campo magnético, la corriente es cero. Recuerda que una carga que se
mueve de forma paralela a un campo magnético no experimenta ninguna fuerza magnética.
Como las cargas no experimentan ninguna fuerza magnética, no se induce ninguna
corriente en el cable.
El bucle sigue girando y la corriente va aumentando hasta que alcanza un máximo.
Cuando el bucle de cable está paralelo al campo magnético, las cargas de ambos extremos
del cable se están moviendo de forma perpendicular al campo magnético. En este punto, las
cargas experimentan la máxima fuerza magnética. Por lo tanto, la corriente es grande.
Después, la corriente va disminuyendo a medida que va girando el bucle, volviendo a llegar
a cero cuando el bucle está perpendicular al campo magnético. El bucle sigue girando y la
dirección de la corriente se invierte.
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Vamos a pasar a la página siguiente. [pause]
Los generadores producen la energía eléctrica que utilizas en tu casa.
Hay grandes centrales de energía que usan generadores AC para convertir energía
mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica puede tener diversas fuentes. Una de las
fuentes más comunes es el agua en movimiento. Las presas ponen en explotación la energía
cinética de los saltos de agua. El agua es obligada a pasar a través de pequeños canales
situados en la parte superior de la presa. El agua, al caer en la base de la presa, hace girar
las paletas de las grandes hélices de la turbina. Las hélices están sujetas a un núcleo
enrollado por muchos bucles de cable. Este núcleo gira dentro de un fuerte campo
magnético. El resultado final es la energía eléctrica.
Hay algunas centrales de energía que queman carbón. El calor del carbón en
combustión sirve para generar el vapor que hace girar las paletas de las turbinas. Hay otras
fuentes de energía tales como la fisión nuclear, el viento, el agua caliente procedente de
géiseres y la luz solar.
Por desgracia, gran parte de la energía eléctrica producida por los generadores se
pierde para las fuentes externas. Como consecuencia, hay muchas centrales de energía que
no son muy eficientes en la conversión de energía mecánica en energía eléctrica. Se siguen
investigando métodos más eficientes y seguros de producir energía eléctrica.
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos de una única fuerza.
Ya aprendiste que una carga en movimiento produce un campo magnético. También
aprendiste que un campo magnético cambiante provoca que se mueva una carga eléctrica.
La energía resultante de estas dos fuerzas se llama energía electromagnética.
En el capítulo Trabajo y energía, aprendiste que la luz es una forma de energía
electromagnética. Recuerda también que, en el capítulo sobre Ondas, aprendiste que la luz
viaja en forma de ondas electromagnéticas u ondas EM. Hay otras formas de radiación,
como las señales de radio y los rayos X, que también se desplazan en la forma de ondas
electromagnéticas.
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En la Figura 16, se muestra que las ondas electromagnéticas constan de campos
eléctricos y magnéticos oscilantes perpendiculares el uno al otro. Observa, en esta figura,
que la dirección de la onda electromagnética es resultado de la combinación de la dirección
del campo magnético oscilante y la dirección del campo eléctrico oscilante. Observa
también, en esta figura, que las direcciones de dichos dos campos forman un ángulo recto
con respecto al otro.
También en la Figura 16, se muestra que el campo eléctrico y el campo magnético
son perpendiculares a la dirección del movimiento de la onda electromagnética. Por este
motivo, las ondas electromagnéticas se consideran ondas transversales. Cuando la onda
electromagnética se va moviendo, el campo eléctrico cambiante va generando el campo
magnético. El campo magnético cambiante, a su vez, genera el campo eléctrico. Es decir,
cada uno de los campos genera al otro. Como consecuencia, las ondas EM pueden viajar
por un espacio vacío.
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Es probable que hayas visto cilindros de metal en las líneas de conducción eléctrica.
Dichos cilindros sujetan dispositivos electromagnéticos llamados transformadores. Un
transformador es un dispositivo electromagnético que puede transformar un voltaje AC en
otro voltaje AC distinto. En la Figura 17, se ilustran los componentes de un transformador
simple. Observa, en esta figura, que hay dos cables enrollados en los extremos opuestos de
un bucle de hierro cerrado. Un cable está conectado a una fuente de corriente alterna, como
podría ser un enchufe de tu casa. Este cable, conectado a una fuente de AC, es la bobina
principal. El otro cable está conectado a un aparato como, por ejemplo, una lámpara. El
cable conectado al aparato procede de la bobina secundaria. Busca las bobinas o circuitos
primarios y secundarios en la Figura 17. [pause]
Cuando hay una corriente en el cable principal, ésta crea un campo magnético
cambiante que imanta el núcleo de hierro. El campo magnético cambiante induce una
corriente en el cable secundario. La dirección de la corriente de la bobina secundaria cambia
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cada vez que cambia la dirección de la corriente en la bobina principal.
Los transformadores pueden aumentar o disminuir el voltaje.
El voltaje inducido en la bobina secundaria de un transformador depende del
número de bucles, o vueltas, en la bobina. Observa, en la Figura 18A, que la bobina
principal y la bobina secundaria constan, cada una, de un cable enrollado sólo una vuelta
alrededor del núcleo de hierro. Si la corriente entrante tiene un voltaje de 5 voltios, el
voltaje del circuito secundario estará próximo a 5 voltios. Si el número de vueltas de la
bobina primaria es igual al número de vueltas de la bobina secundaria, el voltaje inducido
en la bobina secundaria es aproximadamente igual al voltaje que atraviesa la bobina
principal.
Ahora, piensa en lo que sucede cuando dos bobinas secundarias con sólo una vuelta
se colocan dentro del núcleo de hierro. Observa, en la Figura 18B, que se induce un voltaje
ligeramente inferior a 5 voltios en cada bobina secundaria.
Observa detenidamente la Figura 18B otra vez. ¿Cuántos voltios hay en la bobina
principal? [pause] Si respondiste 5 voltios, estabas en lo cierto. Ahora, piensa en lo que
sucedería al combinar esas dos bobinas secundarias. El resultado se muestra en la Figura
18C. ¿Qué voltaje se induce en la bobina secundaria de la Figura 18C? [pause] Si
respondiste que ligeramente inferior a 10 voltios, estabas en lo cierto.
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Si la bobina secundaria tiene el doble de vueltas que la bobina principal, el voltaje
inducido en la bobina secundaria es aproximadamente el doble del voltaje de la bobina
principal. Este dispositivo se llama un transformador elevador. Como su nombre indica, el
voltaje de la bobina secundaria es mayor que el voltaje de la bobina principal. Si la bobina
secundaria tiene menos bucles que la bobina principal, el transformador reducirá el voltaje.
Este tipo de transformador se llama transformador reductor.
En la Figura 19, se muestra un transformador reductor como el que se coloca cerca
de tu casa para reducir el voltaje de la corriente a unos 120 voltios, que es mucho más
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seguro. La mayoría de los electrodomésticos funcionan a 120 voltios.
Tanto el transformador elevador como el reductor se utilizan en la transmisión de la
energía eléctrica procedente de centrales de energía a hogares y oficinas. Se utiliza un
transformador elevador dentro o cerca de una central de energía. El transformador elevador
aumenta el voltaje de la corriente a unos 120,000 voltios. A este alto voltaje, se pierde
menos energía eléctrica debido a la resistencia de los cables de transmisión.
Repasa los conceptos clave enumerados en el Resumen.
Un campo magnético cambiante produce una corriente eléctrica en un circuito.
En un generador, la energía mecánica se convierte en energía eléctrica al girar un
bucle conductor en un campo magnético.
Las ondas electromagnéticas constan de campos magnéticos y eléctricos oscilantes
que forman un ángulo recto los unos con respecto a los otros.
En un transformador, el campo magnético producido por una bobina principal
induce una corriente en una bobina secundaria.
El voltaje de la bobina secundaria de un transformador es proporcional al número de
bucles, o vueltas, que tiene en relación con el número de vueltas de la bobina principal.
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