¿Cómo hacemos electricidad?
Enciende el interruptor de la luz. ¿Se encendió la luz? ¡Por supuesto que sí! Parece magia, pero ¿alguna vez te has parado a pensar exactamente cómo se genera la electricidad que alimenta tus luces y otros aparatos? Es un proceso muy interesante que requiere imanes y movimiento.
Hace unos 200 años, un científico inglés llamado Michael Faraday desarrolló por primera vez un método de producción de electricidad que utiliza imanes, un proceso llamado inducción electromagnética . Hoy en día, todavía generamos electricidad de la misma manera. La ley de Faraday dice que la tasa de cambio del flujo magnético a través de un conductor será igual a la fem inducida, y la ley de Lenz se puede utilizar para determinar la dirección de la fem inducida.
Flujo magnético
Faraday descubrió que cambiar la cantidad de campo magnético que pasa a través de una bobina de alambre, una cantidad llamada flujo magnético , induciría una corriente en el alambre. Entonces, ¿qué es exactamente el flujo magnético? Todos los imanes crean un campo magnético invisible a su alrededor, y la cantidad de este campo que pasa por el centro de una bobina de alambre es el flujo magnético a través de la bobina. La palabra ‘flujo’ se deriva de una palabra latina que significa ‘flujo’, así que piense en el flujo magnético como la cantidad de campo magnético que fluye a través del área formada por la bobina de alambre, al igual que el agua podría fluir en una tubería.
El flujo magnético puede cambiar si el campo magnético cambia o si la bobina gira, y en ambos casos, este flujo magnético cambiante inducirá una corriente en el cable. Esta ecuación le muestra cómo calcular el flujo magnético, que se mide en unidades de Webers, abreviado Wb.
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Ley de Faraday
La ley de Faraday describe la relación entre la diferencia de potencial entre los extremos del cable, también conocida como fem (que significa E lectro M otive F orce) y la tasa de cambio del flujo magnético a través de la bobina. Este voltaje inducido hará que la corriente fluya en el cable, pero recuerde que esto solo sucederá si hay un cambio en el flujo magnético. No es suficiente simplemente tener un cable en un campo magnético, pero el campo debe estar cambiando de alguna manera.
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Recuerde que antes de poder calcular la fem inducida usando la Ley de Faraday, primero tendrá que calcular el flujo magnético usando nuestra primera ecuación.
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¿Cómo puede cambiar el flujo magnético? Bueno, hay algunas formas en que esto podría suceder. Primero, puede mover el cable. El voltaje inducido en este caso se llama fem de movimiento porque se produce al mover un cable a través de un campo magnético. En segundo lugar, puede hacer que el bucle sea más grande o más pequeño y, por lo tanto, cambiar el área. También puede girar el bucle para que cambie el campo magnético que lo atraviesa. Esto es lo que sucede en un generador eléctrico.
Ley de Lenz
¿Notaste que hay un signo negativo en la Ley de Faraday? Puede que te hayas preguntado qué significaba eso. Inicialmente, en la formulación original de Faraday, no había ningún signo negativo. El signo negativo le dice en qué dirección se inducirá la fem y, por lo tanto, en qué dirección fluirá la corriente. Faraday descubrió que un flujo magnético cambiante induciría una fem y una corriente en una bobina de alambre, pero hizo falta otro científico, Heinrich Lenz, para averiguar en qué dirección sucedería esto.
La Ley de Lenz dice que se inducirá corriente en una bobina en una dirección para oponerse a cualquier cambio en el flujo magnético a través de la bobina. Una vez más, el cambio es el elemento importante, y debido a que se induce la corriente para oponerse a un cambio, la fem inducida calculada utilizando la Ley de Faraday siempre está en la dirección opuesta al cambio en el flujo magnético. Por eso se agregó el signo negativo. El cambio en el flujo magnético y la fem inducida son siempre en direcciones opuestas.
Si bien la ley de Lenz no tiene una ecuación asociada y solo forma una pequeña parte de la ley de Faraday, es una herramienta poderosa que nos permite determinar en qué dirección se inducirá la corriente. Mover un imán dentro o fuera de una bobina de alambre inducirá una corriente en el alambre, y la dirección de la corriente se puede determinar a partir de la Ley de Lenz.
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Poniendolo todo junto
Ahora, intentemos unir todo esto y veamos si realmente entiendes cómo usar la Ley de Faraday y la Ley de Lenz.
Un bucle circular de alambre con un área de 0.50 metros cuadrados se coloca en un campo magnético de 6.2 T que apunta hacia arriba a través del bucle. De repente, el campo magnético se elimina y el campo magnético a través del bucle se vuelve cero durante un período de 0,10 segundos. Calcule la fem inducida en el bucle de cable y determine en qué dirección fluirá la corriente (en sentido horario o antihorario).
Primero, determine si el flujo magnético está cambiando y, si es así, calcule el flujo al principio y al final. En este problema, el campo magnético se elimina, por lo que el flujo está cambiando. Calculemos el flujo magnético al principio:
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Cuando aplicamos la ley de Lenz, obtenemos -31 V. Como estamos sacando el imán de la bobina de alambre y el campo magnético apunta hacia arriba, la corriente inducida será en sentido antihorario.
Resumen de la lección
El flujo magnético cuantifica la cantidad de campo magnético que atraviesa un área. Cuando el flujo magnético a través de un bucle de cable cambia, induce el flujo de corriente eléctrica en el cable, un fenómeno llamado inducción electromagnética . La corriente fluye en el cable debido a una diferencia de potencial inducida, conocida como fem , entre los dos extremos del cable.
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La ley de Faraday dice que se inducirá una fem siempre que cambie el flujo magnético. Este cambio puede provenir de mover el cable a través de un campo magnético, y esto se llama fem de movimiento . También puede deberse a la adición o eliminación de un campo magnético. La ley de Lenz dice que la corriente se inducirá en una dirección que se opondrá a cualquier cambio en el flujo magnético a través del bucle.
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