Ley de inducción electromagnética de Faraday: ecuación y aplicación

Michael Faraday

Si queda atrapado en una tormenta, uno de los lugares más seguros donde puede buscar refugio es en su automóvil. Esto se debe a que el automóvil proporciona una jaula protectora a su alrededor, conocida como ‘Jaula de Faraday’. El nombre de Michael Faraday, este tipo de jaula protege todo lo que está dentro de la jaula de los campos eléctricos fuera de la jaula. Las jaulas de Faraday se encuentran en todas partes en estos días porque este principio se usa para proteger equipos eléctricos, el interior de los edificios y más. Lo mejor de las jaulas de Faraday es que también se pueden revertir: los microondas y los televisores actúan para mantener las ondas eléctricas dentro de la jaula, lo que le permite cocinar alimentos y ver su programa favorito sin interferencias eléctricas. Lástima que no funcione en comerciales, aunque …

El dicho, “La grandeza viene de adentro”, no podría ser más cierto que con alguien como Michael Faraday. Provenía de una familia pobre y tenía poca educación científica, pero finalmente se convirtió en uno de los más grandes científicos de todos los tiempos. De hecho, se le conoce como el “padre de la electricidad” y se le venera como un excelente físico y químico. Pero, ¿por qué se le tiene en tan alta estima? No es solo porque inventó el globo moderno, aunque personalmente creo que solo eso debería haberle valido ese título. Tampoco es porque comenzó un programa de conferencias navideñas para llevar la ciencia a los niños que todavía se ejecuta en la actualidad.

Es debido a un gran descubrimiento que hizo sobre la electricidad y los imanes conocido como inducción electromagnética . Esto es cuando el voltaje es inducido por un campo magnético cambiante. Faraday descubrió que se puede producir una corriente eléctrica en una bobina de alambre moviendo un imán dentro o fuera de la bobina o moviendo la bobina a través del campo magnético. En cualquier caso, el voltaje se induce o se crea a través de ese movimiento. Suena bastante simple, pero en ese momento esto era realmente impactante.

Ley de Faraday

Este descubrimiento fue tan fundamental e importante, que ahora se conoce como Ley de Faraday , que establece que la cantidad de voltaje inducido es igual a la tasa de cambio del flujo magnético. Esto se puede representar en forma de ecuación como:

Eso es bastante complicado, así que analicémoslo para ver qué está pasando aquí.

Primero tenemos que repasar nuestro griego. Para esta ley, usaremos la letra griega épsilon para representar la magnitud del voltaje inducido, también conocido como EMF . Esto significa “fuerza electromotriz”. Piense en ello como la corriente eléctrica causada por el movimiento de una fuerza. También podría ayudar ver que épsilon parece una E cursiva para ‘EMF’. La siguiente es la letra delta , que significa “cambio”. Finalmente tenemos phi , que representa el flujo magnético. Esta es simplemente la cantidad de campo magnético que pasa a través de un área de superficie determinada. En el caso de Faraday, el área de la superficie era a través de la bobina de alambre por la que movía el imán hacia adentro y hacia afuera. Finalmente, el ten la parte inferior de la ecuación significa “tiempo”.

Ahora que sabemos cómo leer la ley de Faraday, veamos exactamente qué significa. Podemos decir con solo mirar la ecuación, que el EMF y el flujo magnético son proporcionales porque ambos están arriba en la ecuación. Esto significa que a medida que una variable aumenta o disminuye, la otra variable cambiará en la misma dirección en la misma cantidad. El cambio en el tiempo está en la parte inferior, por lo que esto significa que es inversamente proporcional al EMF. El cambio aquí será el contrario. A medida que una variable aumenta o disminuye, la otra variable cambiará en la dirección opuesta en la misma cantidad. A medida que aumenta el cambio en el flujo, también lo hace el EMF. Pero si el cambio en el tiempo aumenta, el EMF disminuirá. Recuerde: ‘delta’ significa ‘cambio en’, por lo que no es la magnitud del flujo o el tiempo,

Tome las bobinas de alambre de Faraday, por ejemplo. Si tiene un imán y lo coloca a través de una bobina de alambre enrollada, crea o induce una cierta cantidad de voltaje. Pero si coloca ese mismo imán a través de una bobina con el doble de bucles, crea el doble de voltaje porque ha duplicado el área de superficie por la que pasa el campo magnético. Si coloca el imán a través de una bobina con 20 lazos, induciría 20 veces más voltaje. De esta forma, podemos ver cómo el flujo magnético y los campos electromagnéticos son proporcionales porque cambian en la misma cantidad.

Podemos usar el cable de la bobina de Faraday para ver cómo el tiempo también afecta la EMF. Mover el imán muy lentamente a través de los bucles de la bobina crea un voltaje pequeño porque el cambio en el tiempo es muy grande. Sin embargo, mueva ese imán a través del bucle rápidamente y creará un voltaje grande porque el cambio en el tiempo es muy pequeño. Esto nos muestra cómo estos dos son inversamente proporcionales: a medida que uno sube, el otro baja en la misma cantidad. Un gran cambio en el tiempo (movimiento lento) significa que se crea un pequeño voltaje, mientras que un pequeño cambio en el tiempo (movimiento rápido) significa que se induce un gran voltaje.

Aplicaciones de la ley de Faraday

La ley de Faraday va más allá de los geniales experimentos de laboratorio con imanes y cables. Las aplicaciones en el mundo real de este tipo de inducción de voltaje son numerosas y lo sepas o no, te rodean en la vida cotidiana.

Tanto los generadores como los motores hacen uso de la Ley de Faraday. Un generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica, por lo que es útil durante un corte de energía. Un motor hace lo contrario y convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Esto los hace útiles para impulsar vehículos. Un generador produce una corriente eléctrica al girar una bobina en un campo magnético estacionario. En un motor, una corriente pasa a través de una bobina, lo que la obliga a girar. En cualquier caso, ambos emplean bobinas de alambre y campos magnéticos para inducir voltaje. Cada vez que conduces al trabajo o la escuela, ¡estás poniendo en práctica la Ley de Faraday!

La cocina de inducción también utiliza la Ley de Faraday. Esto es cuando una corriente fluye a través de una bobina en una estufa, lo que produce un campo magnético. Cuando se coloca otro material conductor como una olla encima de esta área, se induce la corriente sobre ella, calentándola y cocinando lo que haya en la olla. Lo realmente bueno de esto es que la estufa en sí no se calienta, y no hay transferencia directa de calor como en una estufa de gas o eléctrica. La sartén se calienta a través de un campo magnético, por lo que puede tocar la estufa sin quemarse.

Las guitarras eléctricas, los transformadores y los medidores de flujo electromagnéticos también hacen uso de la Ley de Faraday. Como ves, el respeto por Faraday y su trabajo es bien merecido.

Resumen de la lección

Michael Faraday es considerado uno de nuestros más grandes científicos y es un título muy apropiado. Inventor y descubridor de muchas cosas, uno de los mayores descubrimientos de Faraday fue cómo el voltaje puede ser inducido por un campo magnético cambiante, conocido como inducción electromagnética .

La Ley de Faraday resumió la inducción electromagnética de esta manera: la cantidad de voltaje inducido es igual a la tasa de cambio del flujo magnético. Esto dice que la magnitud del voltaje es igual al cambio en el flujo magnético durante el cambio en el tiempo o, en forma de ecuación: Epsilon = Delta Phi / Delta t . Aquí, épsilon es el voltaje inducido, o EMF, delta es ‘cambio en’, phi es el flujo magnético y t es el tiempo. El flujo y la EMF son proporcionales porque aumentan o disminuyen en la misma cantidad.

Aumentar el número de bucles en una bobina de alambre aumenta el flujo magnético, lo que por lo tanto aumenta la EMF. El tiempo y la EMF son inversamente proporcionales porque a medida que aumenta el cambio en el tiempo, la cantidad de voltaje inducido disminuye. Si mueve el imán a través de la bobina de alambre muy rápidamente, la cantidad de voltaje inducido aumenta porque disminuye el cambio en el tiempo.

La ley de Faraday no solo se aplica a los experimentos de laboratorio, y podemos ver ejemplos de ella en acción a nuestro alrededor en la vida cotidiana. Los generadores, motores, transformadores, instrumentos eléctricos y cocinas de inducción emplean la Ley de Faraday, lo que nos permite conducir al trabajo, alimentar nuestros hogares, cocinar nuestra comida y, por supuesto, ¡rockear!

Los resultados del aprendizaje

Después de esta lección en video, podrá:

• Describe qué es la inducción electromagnética.
• Explica qué es la Ley de Faraday e identifica la ecuación que coincide con ella
• Resumir la relación entre el flujo magnético, el tiempo y los campos electromagnéticos de acuerdo con la ley de Faraday.
• Identificar ejemplos de la ley de Faraday en electrodomésticos de uso diario.