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Inducción electromagnética

En los el capítulo anterior se ha estudiado el campo magnético constante en el tiempo. En este capítulo se va a estudiar el efecto de los cambios en el tiempo del campo magnético.

Los fenómenos de inducción son muy variados y requieren ser analizados detalladamente para comprenderlos. En ciertos casos, se puede explicar el establecimiento de la corriente inducida en términos de las fuerzas que ejerce el campo magnético sobre los portadores de carga.

Para introducir los fenómenos de inducción es imprescindible comenzar con al menos una demostración de aula  en la que se realizan experiencias que pongan de manifiesto los aspectos esenciales del fenómeno de inducción electromagnética descritas por la ley de inducción de Faraday.

Ley de inducción de Faraday.

Se resolverán todos los casos en los que el flujo puede variar con el tiempo

Respecto al primer tipo se pondrá un ejercicio en los que se da la gráfica del campo magnético en función del tiempo, se pedirá calcular la f.e.m. y dibujar el sentido de la corriente inducida en una espira perpendicular a la dirección de dicho campo uniforme.

Respecto al segundo tipo, una varilla que desliza sobre carriles perpendicularmente a un campo magnético uniforme, nos va a servir de modelo para explicar el mecanismo de la corriente inducida en términos de las fuerzas sobre los portadores de cargas.

Explicaremos el concepto de f.e.m. planteando dos situaciones para describir un modelo de generador:

Otro ejemplo significativo es el de una espira que atraviesa una región donde hay un campo magnético uniforme. Algunos estudiantes se sorprenden al comprobar que no hay corriente inducida cuando la espira está completamente introducida en dicha región. La explicación estriba en establecer la diferencia entre flujo (una cantidad) y la razón de la variación del flujo con el tiempo (su derivada).

Autoinducción, inducción mutua

Un circuito puede producir corriente en otro próximo al mismo sin estar físicamente conectados. En la demostración de aula, se sustituye el imán por un pequeño solenoide conectado a una batería y que se pueda introducir en un solenoide más grande. Se realizan las mismas actividades que con el imán y además, se conecta y se desconecta el interruptor de la corriente. Se puede introducir incluso un núcleo de hierro en el solenoide pequeño, para amplificar el campo magnético. En el contexto de la demostración se puede pedir a los estudiantes que calculen el coeficiente de inducción mutua y demostrar que es independiente del circuito que se nombre como primario o secundario.

El establecimiento de la corriente en un circuito, nos lleva a examinar el papel de la autoinducción cuando la corriente aumenta o disminuye, y al significado de la ley de Lenz ("se opone a ...").

Se compara la autoinducción con el condensador desde el punto de vista de dispositivos definidos por magnitudes (capacidad y autoinducción) que dependen tan sólo de su geometría y que acumulan energía. Se tomará el solenoide como ejemplo para deducir la fórmula de la densidad de energía asociada a un campo eléctrico/magnético.

Oscilaciones eléctricas.

En el análisis del circuito LC tenemos ocasión de comparar el papel del condensador y de la autoinducción y relacionar el oscilador eléctrico con sus análogos mecánicos.

Objetivos

  1. Comprender que el mecanismo de la inducción electromagnética está asociada a situaciones que dependen del tiempo.
  2. Describir el comportamiento de la autoinducción en un circuito de corriente continua, cuando se cierra y se abre el interruptor.
  3. Calcular la autoinducción de un circuito y la inducción mutua de dos circuitos.
  4. Escribir la ecuación de un circuito formado por una capacidad y una autoinducción, explicando las variaciones de carga en el condensador o intensidad en la autoinducción con el tiempo.

Contenidos.

  1. Leyes de Faraday y Lenz.
  2. Fenómenos de inducción.
  3. Autoinducción.
  4. Establecimiento de una corriente en un circuito RL.
  5. Energía de un campo magnético.
  6. Inducción mutua.
  7. Oscilaciones libres en un circuito LC.

Documentación

Espiras en un campo magnético variable con el tiempo (I)

Varilla que se mueve en un campo magnético uniforme (I)

Una espira que se mueve a través de un campo magnético uniforme.

Generador de corriente alterna

Autoinducción. Circuito R-L

Circuitos acoplados (I). El transformador

Oscilaciones eléctricas

Actividades

Espiras en un campo magnético variable con el tiempo (II)

Movimiento vertical de una varilla en un campo magnético uniforme

Medida de la intensidad del campo magnético

Inducción homopolar

Las corrientes de Foucault

Demostraciones de aula

Demostración de la ley de Faraday

Con una bobina un amperímetro y un imán, véase la Figura 1, se realizan las siguientes experiencias:

  1. El imán en reposo dentro del solenoide.
  2. Se saca el imán del solenoide.
  3. Se introduce el imán en el solenoide.
  4. Se introduce despacio/deprisa el imán en el solenoide.
  5. Se saca despacio/deprisa el imán del solenoide.

Se sustituye el imán por una bobina más pequeña que se pueda introducir en el interior de la bobina mayor, conectada a una batería o generador de corriente continua y con un núcleo de hierro. Se realizan las mismas experiencias, y una más: la de conectar y desconectar la corriente que pasa por la bobina pequeña.

Figura 1. Fenómenos de inducción

Prácticas de laboratorio

Se examinan diversos fenómenos electromagnéticos con un transformador desmontable.

  1. Transmisión de la tensión en un transformador sin carga.

    Se mantiene fijos la tensión V1 en el primario y el número de espiras n1. Se determina la tensión en el secundario V2 en función del número de espiras n2 de la bobina secundaria, véase la Figura 2. Se comprueba la relación de transformación

    Figura 2. Relación de transformación para las tensiones

  2. El horno de inducción.
  3. En base a una bobina primaria de 500 espiras y una bobina secundaria preparada en forma de ranura se monta un transformador de alta corriente que representa un modelo de horno de inducción, véase la Figura 3. Se puede calcular la intensidad en el secundario midiendo la intensidad en el primario y aplicando la relación de transformación. Se coloca una cinta de estaño sobre la ranura y vemos que se funde.

    Figura 3. Modelo de horno de inducción

  4. El salto de una chispa entre dos electrodos.
  5. En el primario se coloca una bobina de 500 espiras conectada a la corriente alterna (220 V), en el secundario una bobina de 23.000 espiras, véase la Figura 4. Se puede calcular la tensión en el secundario mediante la relación de transformación. La salida del secundario son dos alambres que se pueden aproximar a pocos milímetros de distancia. Se observa un salto de chispa entre los dos alambres.

    Figura 4. Salto de chispa

  6. El anillo de Thomson.
  7. Un anillo de aluminio representa una bobina de una espira. Se coloca como indica la Figura 5 rodeando el núcleo de hierro colocado verticalmente de modo que pueda moverse libremente. Se investiga el comportamiento del anillo al conectar la bobina primaria a una corriente alterna.

    Figura 5. Anillo de Thomson

    Se utiliza el lanzador de anillos, (Ring launcher) que se fundamenta en un experimento simulado en la página web

  8. Corrientes de Foucault.
  9. Tubo de Lenz

    Para una demostración práctica de la ley de Lenz se usan imanes cilíndricos que se dejan caer verticalmente en un tubo de cobre o de aluminio. Se puede comprobar experimentalmente que la fuerza que se opone al peso es proporcional a la velocidad del imán. La misma situación que hemos encontrado en el movimiento vertical de una varilla en el seno de un campo magnético uniforme.

 

Lecturas adicionales

Aranda i Olivares. Sobre el movimiento de un conductor en un campo magnético. Enseñanza de las Ciencias, V-2, nº 1, 1984, pp. 43-48.

Coltman J. W. El transformador. Investigación y Ciencia. nº 138, Marzo 1988, pp. 74-82.

Dietz E. R. Some pedagogical aspects of motional EMF. Physics Education, V-27, nº 2, March 1992, pp. 284-288.

Mak Se-yuen. The RLC circuit and the determination of induction. Physics Education, V-29, nº 2, March 1994, pp. 94-97.

Merino J. M., de Diego A. Estudio experimental de campos magnéticos alternos. Revista Española de Física. V-1, nº 2, 1987, pp. 43-45.

Ramírez P., Barbero A. J., Mafé S. Campo magnético, autoinducción e inductancia mutua de bobinas circulares y solenoides. Revista Española de Física, V-9, nº 4, 1995, pp. 39-44.

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