INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

INTRODUCCIONOestred en 1820 encontró que los conductores con corriente eléctrica producían magnetismo y once años después Michael Faraday y Josep Henry determinaron que se puede generar electricidad a partir del magnetismo. Este descubrimiento revoluciono al mundo, al hacer que la electricidad fuera común.

Faraday y Henry descubrieron que se puede producir corriente eléctrica en un conductor, tan solo con introducir o sacar un imán en una espira de alambre. En otras palabras el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético causa, o induce un voltaje.

Cuan mayor sea el número de vueltas del alambre en la espira, mayor será el voltaje inducido. El voltaje inducido forma una corriente, que a su vez crea un electroimán, que a la vez repele al imán. Cuando hay más vueltas hay más diferencia de potencial, lo que equivale a que hay más trabajo que realizar para inducirlo.

La cantidad de voltaje inducido depende de la rapidez con que las líneas del campo magnético entren o salgan de la bobina. Este fenómeno de inducir voltaje al cambiar el campo magnético de una bobina se llama inducción electromagnética.

LEY DE FARADAYLa inducción electromagnética se resume en la Ley de Faraday, que dice que: “El voltaje inducido en la bobina es producto del número de vueltas de la bobina por la rapidez con la que el campo magnético cambia dentro de esas vueltas.” La cantidad de corriente no depende solo del voltaje también depende de la resistencia de la bobina y del circuito con el que está conectada. Ya describimos dos formas en las que se puede inducir voltaje en una espira de alambre; moviendo la espira cerca de un imán o moviendo el imán cerca de la espira. Hay otra manera que resulta al generar un voltaje en una espira cercana a otra espira.

GENERADORES Y CORRIENTE ALTERNASi un imán se introduce y se saca de forma repetitiva de una bobina de alambre, la dirección del voltaje inducido cambia en forma alterna. Es decir al aumentar la intensidad del campo magnético dentro de la bobina, el voltaje inducido tiene una dirección. Y al disminuir la intensidad del campo magnético tiene la dirección contraria. La frecuencia del voltaje alterno es igual a la frecuencia del cambio del campo magnético dentro de una bobina.

Un generador es cuando se induce un voltaje girando la bobina dentro de un campo magnético estacionario. La construcción de un generador es igual a la de un motor. Solo que se invierten los papeles de la entrada y de la salida. En el motor entra energía eléctrica y sale energía mecánica, en un generador la que entra es la energía mecánica y genera energía eléctrica. Los dos dispositivos transforma la energía de una clase en otra.

Los electrones en movimiento en ambos casos experimentan una fuerza perpendicular tanto a su velocidad como al campo magnético por el cual atraviesan. La deflexión del motor es llamado efecto motor mientras que la inducción es el efecto generador.

Dentro del periodo de inducción electromagnética, cuando la espira del alambre gira en un campo magnético hay un cambio de la cantidad de líneas magnéticas dentro de la espira. Sí el plano de la espira es perpendicular a las líneas de campo magnético, hay un máximo de líneas, mientras gira disminuyen las líneas del campo magnético hasta cuando el plano de la espira es paralelo no queda ninguna línea queda encerrada. Como el voltaje inducido por el generador alterna la dirección, la corriente que se genera es alterna (AC).

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICADespués Nicolás Tesla y George Westinghouse encontraron aplicaciones prácticas a la inducción electromagnética y demostraron que se puede generar suficiente electricidad como para iluminar ciudades enteras.

Energía de un turbogeneradorTesla construyo generadores con núcleos de hierro envueltos con espiras de alambre de cobre ”Armadura”, que se hacían girar dentro de fuertes campos magnéticos mediante una turbina que a la vez se hacía girar por caída de agua o vapor. Las espiras giratorias de alambre en la armadura cortaban el campo magnético de los electroimanes e inducían así un voltaje y corriente alternos.

Energía magnetohidrodinámicaEl generador magnetohidrodinámico (MHD) no requiere turbina ni armadura giratoria. En vez de ello, un plasma de electrones y de iones positivos se expande por una boquilla y se mueve a rapidez supersónica por un campo magnético. Aquel movimiento de cargas en el campo magnético origina un voltaje y una corriente de acuerdo con la ley de inducción de Faraday. Para sacar la corriente y llevarla a un circuito de carga externo se utilizan placas conductoras o electrodos. El generador MHD puede funcionar a cualquier temperatura a la que se le pueda calentar el plasma.

TRANSFORMADORESLa energía puede transferirse de un dispositivo a otro por medio de un espacio vacío, esto consiste en dos bobinas cercanas; una llamada primaria (entrada) que está conectada a la fuente de energía y la otra llamada secundaria (salida).Cuando la fuente se enciende pasa corriente por la primaria, además en la secundaria también se induce una corriente debida a que el campo magnético de la primaria induce voltaje en la secundaria, aunque no haya una conexión material entre las bobinas. Por la secundaria solo pasa un impulso breve de corriente debido a que el campo magnético de la primaria deja de cambiar, luego cuando se apaga la fuente de la primaria, en la secundaria se registra un nuevo impulso de corriente, pero en dirección contraria. Esto se debe a que se apaga la fuente en la bobina primaria la corriente baja a cero y el campo magnético vuelve a cambiar por lo tanto vuelve a inducir corriente pero en sentido contrario.

Si se coloca un núcleo de hierro entre las dos bobinas las cargas se van a direccionar y el campo magnético se concentra en el núcleo, por lo tanto en la bobina secundaria se va a inducir más voltaje. Ahora si tenemos una fuente de corriente alterna entonces la frecuencia de los cambios periódicos del campo magnético es igual a la de la corriente alterna. A esto se lo llama transformador.

Si la primaria y la secundaria tienen igual número de espiras “vueltas” de alambre, los voltajes generados en las dos serán iguales. Pero si la secundaria tiene el doble de espiras que la primaria, el voltaje de la secundaria será el doble que de la primaria. Si la secundaria tiene menos vueltas q la primaria, el voltaje inducido en la primaria será menor (voltaje baja).

La relación entre los voltajes de las bobinas es:

Voltaje en la primariaCantidad de vueltasen la primaria

= Voltaje en la secundariaCantidad de vueltasen la secundaria

El transformador transfiere energía de una a otras bobinas, no la sube, debido a la conservación dela energía. La rapidez con la que se transfiere energía se llama potencia. Entonces la potencia en la primaria es igual en la secundaria. Como la potencia es el producto del voltaje por la corriente por lo tanto tenemos:

(Voltaje X Corriente)Primaria = (Voltaje X Corriente) Secundaria

La facilidad con la que se sube o baja los voltajes en un transformador es causa principal de que utilicemos más la corriente alterna.

AUTOINDUCCIÓNLas espiras con corriente de una bobina interactúan entre sí, entre sus campos magnéticos. Se trata de la autoinducción, es decir se produce un voltaje auto inducido. Este voltaje se opone al voltaje que lo produce y se llama “fuerza contraelectromotriz”; Tiene un efecto peligroso se pueden producir un voltaje enorme al disminuir abruptamente el campo magnético.

TRANSMISIÓN DE ELECTRICIDADLa energía eléctrica se genera a 25000 v o menos, y cerca de la planta generadora se sube a 750000 v, para transmitirla a grandes distancias. Luego se baja mediante transformadores, el voltaje por etapas, en subestaciones y puntos de distribución hasta llegas a 120, 240 o 440 v.

INDUCCIÓN DE CAMPOSLa inducción se puede llevas en cualquier medio materia. En este sentido más general la ley de Faraday dice: “Un campo eléctrico es inducido en cualquier región del espacio en la que un campo magnético cambie a través del tiempo.” Hay un segundo efecto que fue enunciado por James Maxwell y dice: “Se induce un campo magnético en cualquier región del espacio en la que un campo eléctrico cambie a través del tiempo.” En cada caso el campo inducido es proporcional a la rapidez con la que cambia el campo que induce.

PREGUNTAS DE REPASO1. ¿Exactamente qué fue lo que descubrieron Michael Faraday y Josep Henry?

Ellos descubrieron que el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético causa, o induce un voltaje.

2. ¿Qué debe cambiar para que suceda la inducción electromagnética?Debe cambiar el campo magnético de una bobina de alambre (conductor).

3. Además del voltaje inducido ¿de qué depende la corriente generada por la inducción electromagnética?Además de ello también depende del circuito al que esta conectada la bobina y también de su resistencia.

4. ¿Cuáles son las tres maneras con las que se puede inducir un voltaje en un conductor? Moviendo la espira (conductor) cerca de un imán. Moviendo el imán cerca de la espira. Al generar un voltaje en una espira cercana a otra espira.

5. ¿Cómo se compara la frecuencia del voltaje inducido con la frecuencia con la que se introduce y se saca un imán en una bobina de alambre?Estas frecuencias son iguales.

6. ¿Cuál es la semejanza básica entre un generador y un motor eléctrico? ¿Cuál es la diferencia básica entre ambos?La semejanza radica en su construcción, ambos transforman un tipo de energía en otra.La diferencia es que en el motor ingresa energía eléctrica y sale energía mecánica, mientras que en el generador ingresa energía mecánica y sale energía eléctrica.

7. En el ciclo de rotación de un generador sencillo ¿Dónde es máximo el voltaje inducido?Cuando el plano de la espira es perpendicular a las líneas de campo magnético.

8. ¿Por qué un generador produce corriente alterna?Por qué el voltaje inducido en el generador alterna su dirección.

9. ¿Quien descubrió la inducción electromagnética y quien le dio usos prácticos?La descubrieron Michael Faraday y Josep Henry las aplicaciones prácticas las hicieron Nikola Tesla y George Westinghouse.

10. ¿Qué es una armadura?Las armaduras son núcleos de hierro envueltos con espiras de alambre de cobre.

11. ¿Qué es lo que suele suministrar energía a la turbina de una central eléctrica?Energía generada por vapor o caídas de agua.

12. ¿Cuáles son las diferencias principales entre un generador MHD y uno convencional?Que no requiere de turbina ni armadura giratoria.

13. ¿Se aplica la ley de Faraday de la inducción a un generador MHD?Si se aplica la ley de inducción electromagnética de Faraday.

14. Desde luego la energía eléctrica se puede conducir mediante cables, pero, ¿se puede conducir a través del espacio vacío? Si es así, ¿Cómo?Lo que sucede es transmite la energía mediante el campo magnético que se genera en una bobina hacia otras bobinas, sin necesidad de un conductor se induce voltajes en las bobinas cercanas a la bobina generadora o primaria.

15. ¿La inducción electromagnética es clave en un transformador?Sí, es su principal fundamento para transmitir la energía y con respecto al devanado aumentar o disminuir voltajes inducidos.

16. ¿Por qué en un transformador se requiere corriente alterna?Porque la frecuencia de la corriente alterna es igual a la frecuencia del campo magnético y así el voltaje inducido no va a desaparecer. hace que el voltaje inducido sea constante y que no desaparezca el campo magnético.

17. Si un transformador es muy eficiente, ¿puede aumentar la energía? Explica por qué.No la energía no se transforma.

18. ¿Qué nombre se le da a la rapidez con la que se transfiere la energía?Se llama potencia.

19. ¿Cuál es la principal ventaja de la corriente alterna con la corriente continua?Que la alterna fácilmente se transforma.

20. Cuando cambia el campo magnético de una bobina de alambre, en cada espira de la bobina se induce voltaje. ¿Se inducirá voltaje en una espira si la fuente del campo magnético es la bobina misma?Si, mientras la espira este dentro de ese campo magnético si se induce voltaje.

21. ¿Por qué la electricidad se transmite con altos voltajes a grandes distancias?Divido a que existe una pérdida de energía, una caída de potencial.

22. Para transmitir energía eléctrica, ¿se requieren conductores eléctricos entre la fuente y el consumidor? Mencione un ejemplo y sustente la respuesta.El consumo de un hogar viene atreves de los cables en los postes que llegan desde la generación hidroeléctrica.

23. ¿Qué se induce cuando se altera rápidamente un campo magnético?Se induce un gran voltaje.

24. ¿Qué se induce cuando se altera rápidamente un campo eléctrico?Se induce una gran corriente.

25. ¿Cómo parte de la energía de un rio puede transformar la energía de una lámpara caliente la cual está a cientos de kilómetros de distancia?Se utiliza la energía potencial en un rio para mover una turbina transformándose a energía mecánica y está a través de un generador transforma a energía eléctrica y esta antes de llegar a la lámpara eléctrica baja su voltaje mediante transformadores.