Explicando la Ley de Faraday o de Inducción Magnética de forma sencilla

Hoy en nuestra sección teórica del taller nos vamos a detener en una ley fundamental, para intentar que comprendáis unos cuantos principios eléctricos de forma amena y no solo con aburrida teoría.

Comprender los principios de la naturaleza; física, química, electricidad, etc. puede ser útil no solo en el campo teórico o práctico de una disciplina, si no que nos ayuda a entender nuestro entorno y hacer “comprensible” la realidad de nuestro día a día.

Os recomendamos encarecidamente que leáis primero los artículos anteriores si no tenéis de momento mucha idea, pero si algún término en alguna sección del artículo de hoy no lo acabáis de captar o supera vuestros conocimientos, tranquilos, el trabajo de hoy es complementario para reforzar vuestra base teórica y cultural únicamente. Ya nos extenderemos sobre esta materia o la formulación más adelante, de momento con esto es más que suficiente para nuestros propósitos de taller.

Michael Faraday (1791-1867)

Todo lo que vamos a contaros comenzó obviamente con un señor británico, físico y químico del siglo XVIII de nombre Michael y de apellido... ¿Adivináis no?

Nació en Newington, un barrio situado en el condado de Gran Londres (parte del actual municipio de Southwark) en Inglaterra, obviously, que para la época y resumiendo, significaba nacer en el “centro de todo” hablando en plata. (Y eso que para aquel entonces era una zona suburbana del condado de Surrey, pero que comparándolo con las islas galápagos diremos que el niño nació centradito).

Sin embargo ​no provenía de una familia rica, ni mucho menos, su padre, James, aprendiz del herrero del pueblo, no le pudo proporcionar muchas opciones al joven Michael Faraday, tercero de cuatro hermanos, pero a la edad de 14 años, consiguió ser aprendiz de George Riebau, un encuadernador y vendedor de libros. Así que durante los siete años que duró su trabajo junto a Riebeu, no perdió el tiempo, aprovechó la oportunidad y leyó todos los libros que pudo, entre ellos The improvement of the Mind, de Isaac Watts, un libro determinante en su futuro. Watts, reconocido religioso cristiano y compositor "Padre de la Himnología inglesa”, curiosamente trabajó los tratados de lógica y mira tú, que plantaron su semillita en la cabeza de Michael.

Wiki

Junto a su interés por los planteamientos de la disciplina científica de Watts, el joven Faraday también desarrolló su interés por la ciencia, especialmente por el fenómeno eléctrico, que en el aquel momento, principios del siglo XIX era poco menos que una de las cosas más fascinantes que una persona curiosa y amante de la ciencia podía descubrir, cuando ni siquiera se había inventado la bombilla…

Ernest Rutherford declaró: "Cuando consideramos la extensión y la magnitud de sus descubrimientos y su influencia en el progreso de la ciencia y de la industria, no existen honores que puedan retribuir la memoria de Faraday, uno de los mayores descubridores científicos de todos los tiempos." Thomas Phillips

En 1812, ya con 20 años, tras su fase de encuadernador Faraday comenzó a asistir a las conferencias del destacado químico inglés Humphry Davy y de John Tatum, fundador de la City Philosophical Society., gracias al apoyo de William Dance uno de los fundadores de la Royal Philharmonic Society, que supo ver la inteligencia e interés del chaval.

Tras un accidente durante un experimento de Davy y unas cuantas peripecias Faraday acabó como su asistente científico, pero en la clasista sociedad inglesa de la época, Faraday no era considerado un caballero, así que se lo hicieron pasar realmente mal. Durante un viaje por el continente en 1813-15 Faraday se vio forzado a suplir las tareas de sirviente hasta que se pudieran encontrar uno en París. La esposa de Davy, Jane Apreece, en aquel viaje se negaba a tratar con equidad a Faraday, obligándole a viajar fuera del carruaje, comer con los sirvientes u otros detalles que hicieron su vida tan desdichada que casi regresa a Inglaterra solo y abandona la ciencia. Por suerte aguantó, por lo que el acceso a la élite científica europea y sus ideas​ le iluminaron el camino.

Y así poco a poco se fue labrando una carrera y el respeto de todos. En 1832, la Universidad de Oxford concedió a Faraday el grado honorario de Doctor of Civil Law . A lo largo de su vida, la corona británica incluso le ofreció un título de caballero, en reconocimiento a sus servicios a la ciencia, pero que rechazó por motivos religiosos. Faraday, de profundas convicciones religiosas creía que acumular riquezas y perseguir recompensas mundanas atentaba contra la palabra sagrada de la Biblia.​ Rechazó incluso dos veces convertirse en presidente de la Royal Society.

Pese a todo continuó su reconocimiento, fue elegido miembro extranjero de la Real Academia de las Ciencias de Suecia en 1838, y fue uno de los ocho miembros extranjeros elegidos por la Academia de Ciencias de Francia en 1844. Hasta el final de sus días, además de un gran científico fue una persona de ética intachable, durante la Guerra de Crimea (1853-1856) el gobierno británico con el fin de investigar la producción de armas químicas para el conflicto solicito la ayuda de Faraday, rechazando participar, alegando motivos éticos pues no tenía intención de emplear sus conocimientos científicos para contribuir a la muerte de seres humanos y menos de esa terrible manera.

Michael Faraday (1861) Albert Einstein le admiraba profundamente y tenía colgado en la pared de su estudio un retrato de Faraday junto a los de Isaac Newton y James Clerk Maxwell. John Watkins

A día de hoy su nombre es parte eterna de la ciencia y de la cultura humana, su apellido se extiende por todo el conocimiento en innumerables aplicaciones y hasta en la luna un cráter lleva su nombre. Así fue la vida de este aprendiz de encuadernador, que a pesar de la escasa educación formal recibida, se transformó en uno de los científicos más influyentes de la historia, siendo un excelente experimentador que transmitió sus ideas en un lenguaje claro y simple.

Inducción electromagnética

Vamos pues a su carrera como físico y químico, Faraday estudió el electromagnetismo y la electroquímica, realizando importantes descubrimientos que incluyen la inducción electromagnética, el diamagnetismo y la electrólisis.

Faraday estudió las propiedades electromagnéticas de los distintos materiales, comenzando una gran serie de pruebas y experimentos que le llevaría a descubrir la inducción electromagnética, descubrimiento acaecido a raíz de un experimento donde enrolló en un arco de hierro, dos bobinas de alambre, llegando a la conclusión de que cuando aplicaba una corriente a una de las bobinas, la otra bobina que no había recibido corriente, también se cargaba de electricidad.

Por aquella época ya se conocía la relación existente entre la electricidad y el magnetismo gracias al físico Hans Christian Oersted, a través de un experimento consistente en acercar a un imán una aguja imantada. Ya que todos los imanes tienen dos polos, uno positivo y otro negativo, la punta siempre indica el norte, luego el otro extremo indica el sur, da igual el tamaño que tenga nuestra aguja, siempre la punta de dicha aguja indicará el norte y el otro extremo el sur. Además Oersted observó que una corriente eléctrica, ejerce una fuerza sobre un imán si conectamos dicho imán a una fuente eléctrica.

Timetoast

Los electrones en movimiento, a través de un hilo conductor, crean un campo magnético, lo que conocemos como electromagnetismo, si enrollamos el hilo, el efecto magnético se concentrará, al fluir los electrones por la bobina generando una fuerza magnética capaz de atraer objetos pequeños de hierro o acero.

Así es que la Ley de Faraday o de inducción electromagnética, enuncia que el voltaje inducido en un circuito cerrado resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una dada superficie con el circuito haciendo de borde.

Es decir, la fuerza electromagnética inducida en cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la velocidad del tiempo del flujo magnético encerrado por el circuito. (Si te resulta confuso, tranquilo, de momento no pasa nada)

Ahora hagamos un fácil experimento para comprenderlo:

Cogemos un cable conductor, por ejemplo de cobre, lo enrollamos en cuatro vueltas y lo conectamos a un amperímetro (podemos coger también cualquier polímetro y conectarlo adecuadamente para de medir la corriente eléctrica que se va a generar).

Luego cogemos un imán que tenga un tamaño ligeramente inferior al diámetro de la bobina para meterlo y sacarlo rápidamente del interior de dicha bobina.

Entonces nuestro amperímetro marcará una fluctuación de corriente, cada vez que sacamos el imán del interior de la bobina.

Es decir: Para que exista electricidad tiene que existir una variación en los campos magnéticos.

Si ahora realizamos este experimento con una bobina compuesta por muchas más vueltas de hilo de cobre y volvemos a realizar la prueba sacando y metiendo el imán entre las espiras rápidamente, veremos como el amperímetro, marca una intensidad eléctrica mayor. Ya que al tener mayor número de espiras, generará mayor corriente eléctrica al sumarse en serie.

Experimento de Faraday que demuestra la inducción (1831). La batería líquida (derecha) envía una corriente eléctrica a través del pequeño solenoide (A). Cuando se mueve dentro o fuera del solenoide grande (B), su campo magnético induce un voltaje temporal en el solenoide, detectado por el galvanómetro (G). J. Lambert via Wiki.

Pero si dejamos el imán quieto, de nuevo veremos que no se genera ningún tipo de corriente eléctrica, porque el principio fundamental para que haya corriente indica que debe existir variación de campos magnéticos es decir, el imán entra en la bobina con una carga magnética, distinta a la que tiene la bobina, por lo que el movimiento de los átomos genera la intensidad que podemos medir con el amperímetro.

Un apunte: Por otro lado tenemos que entender que no estamos generando energía eléctrica de la nada, si no, que siguiendo los principios fundamentales de la física, estamos transformando energía mecánica (al mover con nuestra mano el imán) en energía eléctrica.

Además, cuando introducimos un imán en una bobina, la corriente circula en un sentido, pero cuando llegamos al extremo y lo sacamos, esta corriente circulará en sentido contrario.

Así que de todo esto se llegó a la conclusión de que la intensidad de la corriente eléctrica que se induce en una bobina es directamente proporcional al número de espiras y a la intensidad del campo magnético que interacciona con estas espiras.

Así que Faraday repitió el experimento pero en vez de con un imán, esta vez lo hizo con un electroimán, es decir, una barra de hierro envuelta en una espiral de hilo conductor.

Este electro imán lo introdujo en una bobina compuesta de muchas espirales y le aplico una carga eléctrica, observando que generaba mucha más electricidad, debido a que la intensidad de la corriente que genera el campo magnético en el electroimán, cuanto mayor sea, mayor campo magnético tendremos por tanto mayor corriente inducida en nuestra bobina.

Tras estos experimentos quedo clara como la Ley de Faraday predice cómo interaccionarán los campos magnéticos con los circuitos eléctricos para producir fuerzas electromagnéticas.

En resumidas cuentas este es el principio de funcionamiento de un transformador y la razón de funcionar con corriente alterna, pues como hemos descrito sólo se genera intensidad de corriente cuando existen variaciones en los campos magnéticos, algo que no puede darse con corriente continua ya que produce campos magnéticos estables si no alteramos de alguna manera la polaridad (a eso lo llámanos un invertir o inversor y como ya os explicaremos más adelante, se utiliza para generar fuentes de corriente alterna que funcionan con este tipo de electricidad desde por ejemplo una batería de coche).

Inducción electromagnética: Ley de Faraday y Lentz

Hasta aquí hemos expuesto un resumen de lo que os explicamos al final del último artículo, ahora lo vamos a expresar un poco más en serio.

Ya hemos dejado claro que la inducción electromagnética es el proceso por el cual se puede inducir una corriente por medio de un cambio en el campo magnético. Así, la fuerza que experimenta un cable conductor por el que pasa corriente debida a los electrones en movimiento cuando está en la presencia de un campo magnético es el ejemplo habitual, igualmente el proceso también funciona al revés. Tanto mover un alambre a través de un campo magnético o cambiar la magnitud del campo magnético con el tiempo puede causar que se produzca una corriente.

Describimos este fenómeno a través de dos leyes fundamentales:

1ª Ley de Faraday: Relaciona la razón de cambio de flujo magnético que pasa a través de una espira con la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en la espira. La relación es:

La fuerza electromotriz (FEM) se refiere a la diferencia de potencial a través de la espira descargada (es decir, cuando la resistencia en el circuito es alta). En la práctica es a menudo suficiente pensar la FEM como un voltaje, pues tanto el voltaje y como la FEM se miden con la misma unidad, el volt (voltio). Ahora bien, un alambre que se mueve en un campo no necesariamente representa una fuente ideal de voltaje, el voltaje que podrías medir con un voltímetro de alta impedancia solo sería igual a la FEM si la carga es pequeña.

2ª Ley de Lenz: es una consecuencia del principio de conservación de la energía aplicado a la inducción electromagnética. Formulada por Heinrich Lenz en 1833, mientras que la ley de Faraday nos dice la magnitud de la FEM producida, la ley de Lenz nos dice en qué dirección fluye la corriente, y establece que la dirección siempre es tal que se opone al cambio de flujo que la produce. Esto significa que cada campo magnético generado por una corriente inducida va en la dirección opuesta al cambio en el campo original.

Normalmente incorporamos la ley de Lenz a la ley de Faraday con un signo menos, que nos permite utilizar el mismo sistema de coordenadas para el flujo y la FEM. A veces nos referimos al conjunto como la ley de Faraday-Lenz

​​En el mundo real, lo normal es encontrarse con la inducción magnética a través de solenoides con espiras múltiples de alambre, donde cada una contribuye con la misma FEM. Por esta razón, incluimos un término adicional N para representar el número de vueltas:

Relación entre la ley de inducción de Faraday y la fuerza magnética

Aunque el fundamento teórico de la ley de Faraday es bastante complejo, una comprensión conceptual de la conexión directa con la fuerza magnética sobre una sola partícula cargada es relativamente sencilla.

Si aceptamos que un electrón es libre de moverse dentro de un alambre conductor, ponemos ese alambre en un campo magnético vertical y lo movemos en la dirección perpendicular al campo con una velocidad constante, como vemos en la imagen, donde ambos extremos del alambre están conectados, formando una espira o lazo, esto garantiza que cualquier trabajo realizado para crear una corriente en el alambre se disipa en forma de calor en la resistencia del mismo.

Ahora supongamos que una persona mueve el alambre con una velocidad constante a través del campo magnético. Conforme lo mueve, debe ir aplicando una fuerza. El campo magnético constante no puede realizar trabajo por sí mismo, de lo contrario su magnitud cambiaría, pero puede cambiar la dirección de una fuerza.

En dicho caso, parte de la fuerza que aplica la persona es redirigida, causando una fuerza electromotriz sobre el electrón que viaja en el alambre, lo que establece una corriente. Por otro lado una pequeña parte del trabajo que la persona realiza al mover el alambre resulta en energía que se disipa en forma de calor dentro de la resistencia del alambre.

Inducción por un imán que pasa a través de una bobina

El experimento que llevó a cabo Faraday para establecer su ley como ya hemos comentado fue bastante sencillo, podemos reproducirlo fácilmente con materiales caseros. El mismo Faraday empleó un tubo de cartón con cable de alambre aislado enrollado a su alrededor para formar una bobina. Conectó un voltímetro a través de la bobina y registró la FEM inducida conforme pasaba un imán a través de la bobina.

Como ya hemos comentado obtuvo los siguientes resultados:

* Con el imán en reposo dentro o cerca de la bobina no observó voltaje.

* Con el imán entrando en la bobina se registró algo de voltaje, que alcanzó su magnitud más alta cuando el imán se estaba acercando al centro de la bobina.

* Con el imán pasando por el centro de la bobina se registró un cambio súbito de signo en el voltaje.

* Con el imán saliendo de la bobina se registró un voltaje opuesto en la dirección inversa a la del imán moviéndose hacia la bobina.

Este sería el gráfico de la fuerza electromotriz registrada al realizar el experimento:

Aunque el imán en reposo puede producir un gran campo magnético, no induce ninguna FEM, pues el flujo a través de la bobina no cambia. Cuando el imán se acerca a la bobina, el flujo se incrementa rápidamente hasta que el imán se encuentra dentro de esta. Conforme la atraviesa, el flujo magnético comienza a decrecer. Consecuentemente, la FEM inducida se revierte.

Problemas de la comunicación digital: Inducción en alambres paralelos

Un apunte curioso, en los últimos tiempos ha surgido un problema nuevo, si un par de alambres son paralelos el uno con el otro, es posible que una corriente variable en uno de los alambres induzca un pulso de FEM en su vecino y esto puede ser un problema cuando la corriente que fluye en alambres vecinos representa información digital, es decir unos y ceros (Tensión alta o baja únicamente) ya que este efecto inductivo puede limitar la velocidad a la cual podemos enviar los datos, dada la densidad y complejidad de los componentes electrónicos no es un problema menor y ha supuesto muchos quebraderos de cabeza a los ingenieros en los últimos años.

Transformadores

Por último llegamos a los transformadores, que en su forma más sencilla, son simplemente un par de bobinas enrolladas alrededor del mismo núcleo. Para su construcción industrial, el núcleo frecuentemente se presenta en forma de una espira cuadrada con una bobina primaria de un lado y una bobina secundaria del otro. Los transformadores se construyen de manera que el flujo magnético generado por una corriente alterna en una bobina induzca una corriente en su vecina de diferente voltaje, aunque de igual frecuencia.

Los transformadores de gran tamaño son un componente clave del sistema de producción y distribución eléctrica. Puesto que el número de vueltas en cada bobina no necesariamente tiene que ser igual, ya que la FEM inducida depende del número de vueltas, los transformadores permiten aumentar o disminuir drásticamente el voltaje de una corriente alterna.

Esto es muy importante, pues permite usar altos voltajes para generar y luego distribuir la energía eléctrica a lo largo de grandes distancias y proporcionar voltajes mucho más pequeños y seguros a los consumidores una vez se alcanza el destino. Luego a su vez pequeños transformadores en nuestros hogares reducirán aún más esos 220V (o 125V) a 24V, 12V o 5V (como es el caso de nuestros teléfonos)

Para un transformador sin pérdidas, el voltaje alterno generado en la bobina secundaria, Vs depende del voltaje alterno en la bobina primaria, Vp y de la razón entre el número de vueltas entre ellas ( Ns / Np ). Ya que la energía se conserva, la corriente máxima disponible se incrementa cuando el voltaje disminuye.

A día de hoy, igual que hace cien años, seguimos usando los transformadores como una pieza esencial de nuestro mundo moderno, así que a partir de ahora cada vez que veáis una bobina de cobre enrollada en vuestros pequeños transformadores ya sabéis exactamente cuál es su función e importancia desde que el señor Faraday dejara su encuadernadora hace unos 200 años.

​Inflexion Point Doctor

Temas relacionados: Curso de electrónica, Electrónica, Inflexion Point Doctor

Reconocimientos y más información sobre la obra gráfica
ADVERTENCIA: En este foro, no se admitirán por ninguna razón el lenguaje soez y las descalificaciones de ningún tipo. Se valorará ante todo la buena educación y el rigor sobre el tema a tratar, así que nos enorgullece reconocer que rechazaremos cualquier comentario fuera de lugar.