Ley de Faraday
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO Escuela de Ingeniería Electrónica en Control Y redes Industriales Teoría Electromagnética . LEY DE FARADAY Edison Alfonso Chango Sailema [email protected] Jhofre Eduardo Ojeda Coronado [email protected] Carla Yessenia Marchán Urquizo [email protected] Paúl Nicolai Martínez Luzuriaga [email protected] Edwin Hernán Romero Gaibor [email protected] RESUMEN: Una de las principales leyes del electromagnetismo es la Ley de Inducción de Faraday, la misma que dice que si el campo magnético que atraviesa una espira metálica, las cargas internas de la misma comienzan a moverse y se produce una corriente inducida, lo que trae como consecuencia la producción de una FEM inducida. Comenzaremos dando una pequeña reseña de su descubrimiento así como sus expresiones matemáticas, algunos ejemplos y algunas aplicaciones de la misma en la vida cotidiana. Palabras clave: Fenómenos electromagnéticos, Ley de Faraday, Inducción, FEM INTRODUCCIÓN El estudio, análisis y comprensión de los fenómenos del electromagnetismo y su importancia es fundamental para nosotros como estudiantes de ingeniería electrónica, ya que dichos fenómenos son la base del desarrollo de las ciencias que estudiamos, y del desarrollo de la tecnología moderna. En el presente trabajo abordaremos la Ley de Faraday, desde los hechos que llevaron al descubrimiento de la misma, hasta las aplicaciones que se han desarrollado gracias a ella. GENERALIDADES 1. INVESTIGACIÓN. Desde principios del siglo pasado se encontró una conexión fundamental entre electricidad y magnetismo. Una corriente eléctrica en un alambre producía efectos magnéticos, los mismos que podían intensificarse si se enrollaba dicho alambre en forma de bobina. Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto Oersted. Luego de haber realizado este descubrimiento los científicos e investigadores se dieron a la tarea de buscar el fenómeno inverso: producir corriente eléctrica mediante campos magnéticos, es aquí donde actúa Michael Faraday, quien en 1831 luego de una serie de experimentos determinó la que ahora sería conocida como Ley de Inducción de Faraday. Las observaciones de Faraday le llevaron a deducir que: Aparece corriente inducida cuando hay movimiento relativo entre el inductor (bobina con corriente o imán) y el inducido (circuito en que aparece la corriente). Cuanto más rápido es el movimiento, mayor es la corriente inducida. Cuantas más espiras tenga la bobina del inducido, mayor es la intensidad de corriente inducida. La corriente inducida cambia al cambiar el sentido del movimiento. 1
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZOEscuela de Ingeniería Electrónica en Control Y redes Industriales Teoría Electromagnética.
LEY DE FARADAY
Edison Alfonso Chango [email protected]
Jhofre Eduardo Ojeda [email protected]
Carla Yessenia Marchán [email protected]
Paúl Nicolai Martínez [email protected]
Edwin Hernán Romero [email protected]
RESUMEN: Una de las principales leyes del electromagnetismo es la Ley de Inducción de Faraday, la misma que dice que si el campo magnético que atraviesa una espira metálica, las cargas internas de la misma comienzan a moverse y se produce una corriente inducida, lo que trae como consecuencia la producción de una FEM inducida.Comenzaremos dando una pequeña reseña de su descubrimiento así como sus expresiones matemáticas, algunos ejemplos y algunas aplicaciones de la misma en la vida cotidiana. Palabras clave: Fenómenos electromagnéticos, Ley de Faraday, Inducción, FEM
INTRODUCCIÓN
El estudio, análisis y comprensión de los fenómenos del electromagnetismo y su importancia es fundamental para nosotros como estudiantes de ingeniería electrónica, ya que dichos fenómenos son la base del desarrollo de las ciencias que estudiamos, y del desarrollo de la tecnología moderna. En el presente trabajo abordaremos la Ley de Faraday, desde los hechos que llevaron al descubrimiento de la misma, hasta las aplicaciones que se han desarrollado gracias a ella.
GENERALIDADES
1. INVESTIGACIÓN.
Desde principios del siglo pasado se encontró una conexión fundamental entre electricidad y magnetismo. Una corriente eléctrica en un alambre producía efectos magnéticos, los mismos que podían intensificarse si se enrollaba dicho alambre en forma de bobina. Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto Oersted. Luego de haber realizado este descubrimiento los científicos e investigadores se dieron a la tarea de buscar el fenómeno inverso: producir corriente eléctrica mediante campos magnéticos, es aquí donde actúa Michael Faraday, quien en 1831 luego de una serie de
experimentos determinó la que ahora sería conocida como Ley de Inducción de Faraday.
Las observaciones de Faraday le llevaron a deducir que:
Aparece corriente inducida cuando hay movimiento relativo entre el inductor (bobina con corriente o imán) y el inducido (circuito en que aparece la corriente).
Cuanto más rápido es el movimiento, mayor es la corriente inducida.
Cuantas más espiras tenga la bobina del inducido, mayor es la intensidad de corriente inducida.
La corriente inducida cambia al cambiar el sentido del movimiento.
La Ley de Faraday establece que la Fuerza Electromotriz inducida en una espira cerrada es directamente proporcional al negativo de la rapidez de cambio en el tiempo del flujo magnético a través de la misma.
2. FUNDAMENTOS MATEMÁTICOS.
La expresión matemática de la esta ley es:
ε=−dΦB
dt (1)
El signo (–) representa que la FEM es inducida; además si tenemos una bobina con N espiras, la expresión (1) cambia a:
ε=−NdΦB
dt (2)
3. DEMOSTRACIONES.
Ya que esta ley nos permite obtener un valor cuantitativo de la FEM inducida, podemos demostrar su cumplimiento realizando un pequeño experimento, posiblemente la representación más sencilla de aquellos
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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZOEscuela de Ingeniería Electrónica en Control Y redes Industriales Teoría Electromagnética.experimentos que realizó Michael Faraday, el mismo que consiste en introducir y extraer un imán en un bobinado de forma repetitiva, de modo que se produce una variación del campo magnético inducido. Luego procedemos a medir la corriente inducida con el Amperímetro en las terminales del bobinado, como se muestra en la siguiente figura:
Figura 1. Experimento de Faraday. Tomada de:
http://docencia.udea.edu.co/regionalizacion/irs-404/imagenes/capitulo10/image002.jpg
Al realizar dicha medición comprobamos que se ha producido una corriente inducida.
4. EJEMPLOS.
Una bobina consta de 200 vueltas de alambre y tiene una resistencia total de 2 Ω. Cada vuelta es un cuadrado de 18 cm de lado y se activa un campo magnético uniforme perpendicular al plano de la bobina. Si el campo cambia linealmente de 0 a 0,5 tesla en 0,8 s. ¿Cuál es la magnitud de la fem inducida en la bobina mientras está cambiando el campo?
El área de una vuelta de la bobina es: Lado=18cm=0,18m
A=0,18m∗0,18m=0,0324m2
El flujo magnético a través de la bobina en t 0=0,
puesto que B=0 en dicho momento. Φ2=0.
En t=0,8 s el flujo magnético a través de una vuelta de
la bobina es: Φ1=B∗A
Φ1=0,5T∗0,0324m2
Φ1=0,0162T∗m2Por tanto, la magnitud de la fem inducida es:
ΔΦB=Φ1−Φ2=0,01672T∗m2−0=0,01672T∗m2
N=200vueltasΔt=0,8 s
ε=−(200 )( 0,01672T∗m20,8 s )=−4,05V
Un poderoso electroimán produce un campo uniforme de
1,6T sobre un área de sección transversal de 0,2m2. Alrededor del electroimán se coloca una bobina que
tiene 200vueltas y una resistencia total de 20Ω . Luego la corriente en el electroimán disminuye
suavemente hasta que alcanza cero en 20ms. ¿Cuál es la corriente inducida en la bobina?
El área de una vuelta de la bobina es A=0,2m2 El flujo magnético a través de la bobina en t 0=0,
puesto que B=0 en dicho momento. Φ2=0.
En t=20ms el flujo magnético a través de una vuelta de
El flujo magnético a través de la bobina es: Φ1=B∗A
Φ1=1,6T∗0,2m2
Φ1=0,32T∗m2
Por tanto, la magnitud de la fem inducida es:
ΔΦB=Φ1−Φ2=0,32T∗m2−0=0,32T∗m2
N=200vueltasΔt=20ms
ε=−(200 )( 0,32T∗m20,020 s )=−3,2x103V
i= εR
=−3,2x 103V20Ω
=−160 A
Hay una corriente inducida de 160 A
5. APLICACIONES.Hay un sinnúmero de aplicaciones; entre las cuales se encuentran:
El interruptor de falla a tierra (ICFT): Es un dispositivo de seguridad que protege a los usuarios de corriente eléctrica; de choques eléctricos al momento de tocar un aparato, ya que evita que sus carcazas queden energizadas, como se indica en la figura siguiente:
Figura 2. Importancia de un ICFT. Tomada de: https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTA5NCaPmSQHCCyjg-S-
RsXu6o5xZN2QVkvsiJOFN1dih8twFAazQ
Generadores de fuerza electromotriz: Esta ley proporciona el principio para la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, esto puede entenderse considerando una espira girando en el seno de un campo magnético.
Producción de sonido: Por ejemplo en las pastillas de una guitarra eléctrica. Las cuerdas se encuentran
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Figura 3. Funcionamiento de pastilla de guitarra. Tomada de: http://i45.tinypic.com/2d9mro.jpg
Monitores SMIS: El síndrome de muerte infantil súbita es un terrible mal, en el cual el lactante deja de respirar mientras está durmiendo; sin causa aparente. Hay un dispositivo de vigilancia que se usa para avisar de la interrupción de la respiración. Se adhiere una bobina a un lado del pecho, y el campo magnético que esta produce hace efecto en otra bobina colocada al otro lado del pecho; de modo que la respiración (debido a la contracción y expansión del pecho) altera el valor del campo magnético que recibe la segunda bobina. Entonces si la respiración se detiene, se produce un potencial estable en la segunda bobina y se activa una alarma, tal y como se indica en la siguiente figura:
Figura 4. Bebé conectado a un monitor SMIS. Tomada de: http://prezi.com/_gcmvaji62si/aplicaciones-de-la-ley-de-faraday/
CONCLUSIONES.
Al finalizar el presente trabajo de investigación podemos concluir que:
Los fenómenos electromagnéticos y las aplicaciones de los mismos han sido de gran importancia para el desarrollo de la tecnología.
A mayor variación del campo magnético se generará una corriente inducida mayor.
La Ley de Faraday tiene un sinnúmero de aplicaciones en la vida cotidiana.
La corriente inducida cambia al cambiar el sentido del movimiento y por tanto también cambia la FEM inducida.
Para poder comprender correctamente los conceptos que involucra la Ley de Faraday,
debemos tener claro principalmente el concepto de flujo magnético.
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REFERENCIAS
1. Serway, R, “Física para Ciencias e Ingeniería”, Quinta Edición, págs: 980-990, Edamsa Impresiones S.A,Caracas-Venezuela, 2005-05.
2. Coluccio, M., Picardo, P., “Faraday tenía razón!!”. Laboratorio I de Física para Biólogos y Geólogos. [En línea]. Disponible en:http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_em/faraday.pdf
3. N.A. “Ley de Faraday”. [En línea]. Disponible en: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/A_Franco/elecmagnet/fem/fem.htm
4. Zemansky, S, “Física Universitaria con Física Moderna”, Decimosegunda Edición, págs:996-998, Addison-Wesley,2009.
5. N.A. “Ley de Faraday”. [En línea]. Disponible en: http://docencia.udea.edu.co/regionalizacion/irs-404/contenido/capitulo10.html
6. N.A. “Demostración de la Ley de Faraday”. [En línea]. Disponible en: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/fem/fem.htm
7. N.A. “Ley de Faraday”. [En línea]. Disponible en: http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//3000/3234/html/13_ley_de_faraday.html
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