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Inducción electromagnética
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Prof. José L. Marchant
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Objetivos
n 
Describirás cómo los cambios magnéticos variables
pueden generar corriente eléctrica y diferencia de
potencia.
n 
Aplicarás ese fenómeno a la construcción de
generadores y transformadores.
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Introducción
A
principios del siglo XIX, los únicos dispositivos para
producir corriente eran las baterías voltaicas, que producían
corrientes pequeñas al disolver metales en ácidos. Fueron
precursoras de las baterías actuales.
Oersted, en 1820,
encontró que los conductores con corriente eléctrica
producían magnetismo. Entonces surgió la pregunta de si
era posible generar la electricidad a partir del magnetismo.
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En 1831 dos físicos contestaron la pregunta, Michael
Faraday en Inglaterra y Joseph Henry en Estados
Unidos, cada uno trabajando en forma independiente
sin tener noticia del otro. Este descubrimiento cambió
el mundo, al hacer que la electricidad fuera común,
suministrando energía a las industrias en el día y
alumbrando ciudades por las noches.
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Por qué es importante
n 
La relación entre los campos magnéticos y las
corrientes hace posible los tres fundamentos de la
tecnología eléctrica: los motores, los generadores y
los transformadores.
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Inducción magnética
Faraday y Henry descubrieron que se puede producir
corriente eléctrica en un conductor, tan solo con introducir o
sacar un imán en una parte del conductor en forma de
bobina.
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Inducción magnética
No se necesita batería ni algún otro voltaje,
únicamente el movimiento de un imán en una
espira de alambre.
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Inducción magnética
Descubrieron que el movimiento relativo entre un conductor
y un campo magnético causa o induce, un voltaje.
Se
induce el voltaje cuando el campo magnético de un imán se
mueve cerca de un conductor estacionario, o el conductor
se mueve en un campo magnético estacionario.
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Inducción magnética
Cuanto mayor sea el número de vueltas del alambre en la
espira que se mueven en un campo magnético, mayor
será el voltaje inducido.
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Inducción magnética
Esto se debe a que el voltaje inducido forma una
corriente, que a la vez forman un electroimán, que a la
vez repele el imán en la mano. Cuando hay más vueltas,
hay más voltaje, lo que equivale a efectuar más trabajo
para inducirlo. (figura)
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El movimiento rápido induce un voltaje mayor. Este fenómeno
de inducir voltaje al cambiar el campo magnético de una
bobina de alambre se llama inducción electromagnética.
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Ley de Faraday
La inducción electromagnética se resume en la ley de
Faraday, que establece que: El voltaje inducido en una
bobina es proporcional al producto del número de
vueltas de la bobina por la rapidez con la que el campo
magnético cambia dentro de esas vueltas.
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La cantidad de corriente producida por la inducción
electromagnética no sólo depende del voltaje inducido, sino
también de la resistencia de la bobina y del circuito con el que
está conectada.
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Ley de Faraday
Dos formas en las que se puede inducir voltaje en una espira
de alambre:
• Moviendo la espira cerca de un imán.
• Moviendo un imán cerca de la espira.
Hay una tercera forma: Cambiar la corriente en una espira
cercana.
En los tres casos se da el mismo ingrediente
esencial: cambiar el campo magnético en la espira.
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Ley de Faraday
La inducción electromagnética nos rodea en todas partes:
v Los semáforos
v Los autos híbridos: la energía de frenado en energía eléctrica.
v Sistemas de seguridad en los aeropuertos.
v En las tarjetas de crédito: banda magnética pasa por un
censor.
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Fuerza electromotriz
La diferencia de potencial o voltaje, que la batería suministra
a las cargas se denomina fuerza electromotriz o FEM. La
fuerza electromotriz no es, sin embargo, una fuerza; es una
diferencia de potencial y se mide en voltios.
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La diferencia en el potencial se denomina FEM inducida. La
FEM medida en voltios, depende del campo magnético, B, de
la longitud del alambre en el campo magnético, L, y de la
velocidad del alambre en el campo, V. Si B, V y la dirección de
la longitud del alambre son perpendiculares entre sí, entonces
la FEM es el producto de las tres.
Fuerza electromotriz FEM = BLv
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Fuerza electromotriz
Si un alambre se mueve a través de un campo magnético
formando un ángulo con relación al campo, sólo la
componente de la velocidad del alambre que es
perpendicular a la dirección del campo magnético genera
FEM. Las unidades de la FEM son voltios. B = F / IL. Las
unidades de B son N/A.m. La siguiente es la ecuación
unitaria para FEM.
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Variables: FEM = BLv
N
N .m J
)(m)(m / s) =
= =V
Unidades: V= (
A.m
A.s C
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Generadores Eléctricos
Fue inventado por Michael Faraday, convierte la energía
mecánica en energía eléctrica. Consiste en varios lazos de
alambre colocados en un campo magnéticos intenso. El
alambre se enrolla alrededor de una forma de hierro para
incrementar la intensidad del campo magnético.
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Los generadores y los motores son casi idénticos en cuanto
a su construcción pero convierten energía en sentidos
opuestos. Un generador convierte energía mecánica en
energía eléctrica, mientras que un motor transforma energía
eléctrica en mecánica.
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Transformadores
Un transformador es un aparato que incrementa o reduce
voltaje CA. Los transformadores se emplean ampliamente
debido a que cambian voltajes con una pérdida de energía
relativamente pequeña.
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Cómo funcionan los
transformadores
La autoinductancia produce una FEM cuando la corriente
cambia en una bobina sencilla. Un transformador tiene dos
bobinas, aisladas eléctricamente entre sí, pero enrolladas
sobre el núcleo de hierro.
Una bobina se llama bobina
primaria, la otra bobina secundaria.
Cuando la bobina
primaria se conecta a una fuente de voltaje CA, la corriente
variable genera un campo magnético también variable.
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Tal flujo magnética variable se transporta a través del núcleo de
hierro hasta la bobina secundaria. En la bobina secundaria, el
campo variable induce una FEM que también varía. Este efecto
se denomina inductancia mutua.
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Cómo funcionan los
transformadores
La FEM inducida en la bobina secundaria, llamada voltaje
secundaria, es proporcional al voltaje primario.
El voltaje
secundaria también depende de la relación entre las espiras
de la bobina secundaria y las espiras de la bobina primaria.
Voltaje sec undario
número de espiras de la bobina sec undaria
=
Voltaje primario
número de espiras en la bobina primaria
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Vs N s
=
Vp N p
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Cómo funcionan los
transformadores
Si el voltaje secundario es mayor que el primario, el
transformador se denomina elevador. Si el voltaje de salida
del transformador es menor que el de entrada, entonces el
transformador recibe el nombre de reductor.
Ecuación del transformador:
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I s Vp N p
=
=
I p Vs
Ns
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Cómo funcionan los
transformadores
Un transformador elevador incrementa el voltaje y baja la
corriente. Un transformador reductor, la corriente es mayor y
el voltaje disminuye.
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Referencia:
n 
Física Principios y Problemas, Paul W.
Zitzewitz,2004.
n 
Física Conceptual, Paul G. Hewitt,2007
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