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Inducción electromagnética
La inducción electromagnética consiste en obtener energía eléctrica a partir de
variaciones de flujo magnético.
Cuando circula una corriente eléctrica por un conductor se crea un campo
magnético. Michael Faraday pensaba que se podría producir el proceso inverso,
es decir, que un campo magnético produzca una corriente eléctrica y por lo tanto
una diferencia de potencial. En 1831, descubre y publica la ley de inducción
electromagnética que se puede resumir en que a partir de campos magnéticos
variables respecto al tiempo, se pueden generar campos eléctricos y en
consecuencia corrientes eléctricas. Un ejemplo de un experimento que produce
corriente inducida es el siguiente.
Se tiene un imán de barra en una posición fija, al acercar una espira circular con
una cierta velocidad, las líneas de campo magnético que cruzan el área de la
espira aumentan, es decir, el flujo por unidad de tiempo cambia, modificando la
posición de la aguja en el amperímetro al que se encuentra conectado la espira
circular Al acercar el imán crece la corriente inducida y por lo tanto la fem inducida
también crece.
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La experiencia en el aula
Con una bobina, un amperímetro y un imán se realizan las siguientes
experiencias:
1. Se sitúa el imán en reposo dentro del
solenoide.
2. Se introduce despacio/deprisa el imán en el
solenoide.
3. Se saca despacio/deprisa el imán del
solenoide.
Se observa el movimiento de la aguja del
amperímetro
Se aplica la ley de Lenz para determinar el
sentido de la corriente inducida.
Para simular la experiencia, emplearemos una bobina de N espiras apretadas de
radio R que es atravesada por un imán, tal como se muestra en la figura. El imán
se mueve con velocidad constante v sobre un carril de aire, Para incrementar la
intensidad de corriente electromotriz inducida en el instrumento se sustituye la
espira circular por una bobina o un solenoide de muchas vueltas.
En esta página, el campo magnético producido por un imán, se aproximará a la suma
vectorial de los campos producidos por un par de cargas puntuales magnéticas o monopolos
situados en sus extremos.
De acuerdo con la ley de Ohm, si existe una corriente existirá una diferencia de
potencial o voltaje y de manera más general una fem que recibe el nombre de
fuerza electromotriz inducida
Si el imán se aleja de la bobina la fuerza electromotriz inducida puede cambiar su
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magnitud e inclusive su polaridad.
Para incrementar el efecto, generalmente, se utiliza una bobina o un solenoide.
El mismo efecto se obtiene si se mueve el solenoide manteniendo fijo el imán o si
se mueve el imán manteniendo fijo el solenoide o si se mueven los dos
simultáneamente.
La causa que origina la fuerza electromotriz es la variación del flujo concatenado o
enlazado por la espira respecto al tiempo.
También se obtiene fuerza electromotriz si el imán se sustituye por un solenoide y
se modifica la posición relativa entre los elementos o si a uno de los solenoides se
le aplica una señal variable con el tiempo, por ejemplo un voltaje alterno o un
voltaje de continua que se interrumpe momentáneamente por medio de un switch,
como se muestra en la siguiente figura.
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La fem inducida en una espira cerrada es igual al negativo de la relación del
cambio con respecto al tiempo del flujo concatenado a través de la espira.
El signo en la expresión anterior significa que la polaridad de la fuerza
electromotriz inducida es opuesta a la de la variación del flujo
concatenado.
Cuando la fuerza electromotriz se produce en un embobinado de N espiras, se
suele aproximar el flujo concatenado como el producto del número de vueltas N
por el flujo magnético que cruza a través de una de las espiras.
Principio de Lenz.
En el año de 1834, el físico alemán Lenz realiza los mismos experimentos que
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Faraday. Su aportación consiste en haber explicado el sentido de la fuerza
electromotriz y en consecuencia el de la corriente inducida en un circuito sujeto a
un flujo magnético variable en el tiempo.
Para analizar este principio analicemos lo que sucede al acercar el extremo norte
de un imán de barra a una espira, como se muestra en la figura. Se tomará la
convención de que si la corriente entra al instrumento por la terminal positiva (color
rojo) la aguja se desviará a la derecha y si la corriente entra por la terminal
negativa (color negro) la aguja se desviará hacia la izquierda en el instrumento.
Al acercar el imán de barra, el flujo magnético aumenta, la corriente inducida
entonces debe generar un campo magnético que se oponga al original. Esto
implica que la corriente debe entrar por la terminal negra del instrumento
produciendo una desviación de la aguja a la izquierda.
El sentido de la corriente inducida se puede determinar aplicando la regla
enunciada por Lenz: “El sentido de una corriente inducida debe ser tal, que se
oponga a la causa que lo produce”.
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Existen fenómenos de inducción electromagnética generados por un circuito
sobre sí mismo llamados de inducción propia o autoinducción; y los producidos por
la proximidad de dos circuitos llamados de inductancia mutua.
Un ejemplo de inductancia propia, lo tenemos cuando por una bobina circula
una corriente alterna. Como sabemos, al circular la corriente por la bobina
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formará un campo magnético alrededor de ella, pero al variar el sentido de la
corriente también lo hará el campo magnético alrededor de la bobina, con lo cual
se produce una variación en las líneas del flujo magnético a través de ella, esto
producirá una fem inducida en la bobina.
La fem inducida con sus respectivas corrientes inducidas son contrarias a la fem y
la corriente recibidas. A este fenómeno se le llama autoinducción.
Por definición: la autoinducción es la producción de una fem en un circuito
por la variación de la corriente en ese circuito. La fem inducida siempre se
opone al cambio de corriente. La capacidad de una bobina de producir una fem
autoinducida se mide con una magnitud llamada inductancia.
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Los inductores almacenan energía en el campo
magnético. La misma se calcula como:
W = Energía
L = Inductancia
i = Corriente
EN LA SIGUIENTE PAGINA PUEDE VER DIFERENTES EXPERIMENTOS
SOBRE INDUCTANCIA MUTUA.
http://iesfgcza.educa.aragon.es/depart/fisicaquimica/fisicasegundo/camag.htm
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ACTIVIDAD SOBRE INDUCTANCIAS MUTUAS
Enunciado :Se tienen dos bobinas con coeficientes de autoinducción L1 y L2 y
coeficiente de inducción mutua M. Se conectan las terminales de las bobinas de modo que
se encuentran en serie. Encuentra la autoinducción de la bobina equivalente que produce la
misma fuerza electromotriz que las dos bobinas.
Solución
Se trata de encontrar el valor que debe tener la autoinducción de una bobina para que
produzca la misma fuerza electromotriz que las dos bobinas puestas en serie. Al estar en
serie, la corriente que pasa por las dos es la misma. El flujo magnético que atraviesa cada
bobina es producido por el campo creado por ella misma y el campo creado por la otra.
Tenemos
La fuerza electromotriz que produce cada una de ellas es
La fem total es
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La fem de la bobina equivalente sería
Comparando ambas expresiones obtenemos
QUIZ
(ENTREGAR)
1.¿Por que es importante en el estudio del electromagnetismo el conocimiento de
la inducción?.
2.¿que se entiende por fem inducida? ¿Cómo se produce?
3. Enunciar la ley de Lenz.
4.¿Por que hay siempre presente una inductancia en los circuitos de CA?
5.¿Cales son los factores que determinan la inductancia de una bobina?
6.¿que se entiende por coeficiente de acoplamiento?
7.¿que significa el signo negativo en la expresión de la fem inducida?
8.¿como obtiene la inductancia equivalente en serie y paralelo de bobinas y que
condición es necesaria para poder utilizar las expresiones?
9.¿como puede reducir la inductancia entre dos cables paralelos?
10. ¿Cuántas vueltas se necesitan para tener una inductancia de 250 µH si la
bobina va a montarse sobre un tubo de carton de 3 cm de diámetro y su longitud
es de 24 cm.
11.¿cual es el coeficiente de acoplamiento de dos bobinas cuyas inductancias son
de 50 y 75 mH y la inductancia mutua es de0.01 mH
12.-Por un solenoide de 150 espiras, longitud 30 cm y diámetro 2 cm circula una
corriente de 2 A. Si está bobinado sobre un carrete de cartón con núcleo de aire,
calcular la Inducción magnética en el interior de la bobina.
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