“Aplicaciones de la Ley de inducción de Faraday”
INTRODUCCIÓN Los experimentos de Oersted en 1820 pusieron de manifiesto que una corriente eléctrica produce un campo magnético, del mismo tipo que el causado por los imanes. El principio de reciprocidad, común a muchas reas de la f!sica, suger!a que un campo magnético causa una corriente eléctrica. "in em#argo, durante 12 a$os los experimentos dieron resultados negati%os. La simple presencia de un campo magnético no produce corriente alguna. La inducci&n electromagnética es el fen&meno que origina la producci&n de una fuer'a electromotri' (f.e.m. o %olta)e* en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético %aria#le, o #ien en un medio m&%il respecto a un campo magnético estti esttico co.. Es as! as! que, que, cuand cuando o dicho dicho cuer cuerpo po es un condu conduct ctor or,, se prod produce uce una una corriente inducida. Este fen&meno fue descu#ierto por +ichael arada- quién lo expres& indicando que que la magnit magnitud ud del del %olta %olta)e )e induc inducid ido o es prop proporc orcion ional al a la %aria %ariaci& ci&n n del del flu)o flu)o magnético (Le- de arada-*. En 181 +ichael arada- reali'& importantes descu#rimientos que pro#a#an que efecti%amente un campo magnético puede producir una corriente eléctrica, pero siempre que algo estu%iera %ariando en el tiempo. /s! descu#ri& •
"i se mue% mue%e e un imn imn en las las prox proxim imid idad ades es de una una espira, aparece una corriente en ésta, circulando la corriente en un sentido cuando el imn se acerca - en el opuesto cuando se ale)a.
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El mismo resultado se o#tiene si se de)a el imn quieto - lo que se mue%e es la espira.
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En lugar de un imn pueden usarse dos #o#inas - se o#tiene el mismo resultado. e nue%o, es indiferente cul de las dos se mue%a con tal de que ha-a un mo%imiento relati%o.
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o es imprescindi#le que ha-a mo%imiento. arada- mostr& que si arrollan dos #o#inas alrededor de un núcleo de hierro, si por una de ellas (el 3primario4* circula una corriente continua, en la otra (el 3secundario4* no ha- corriente alguna. "in em#argo, )usto tras el cierre del interruptor, cuando la corriente del primario cam#ia en el tiempo, se induce una corriente en el secundario. /simismo, tras la apertura del interruptor tam#ién aparece una corriente en el secundario, pero de sentido contrario a la anterior.
Los resultados anteriores se pueden resumir todos en una sola forma matemtica, conocida como ley de Faraday
“La fem inducida en un circuito es igual a la rapidez con signo negatio con la !ue cam"ia con el tiempo el flu#o magn$tico a tra$s del circuito%& Est le- tiene una gran %ariedad de aplicaciones, prcticamente toda la tecnolog!a eléctrica se fundamenta en ella, -a que generadores, transformadores - motores
eléctricos se #asan en ella. En este reporte se expondrn 5 aplicaciones de la Lede inducci&n de arada-, las cuales se detallan a continuaci&n.
'(LIC'CION)* D) L' L)+ D) INDUCCIÓN D) F'R'D'+ Las aplicaciones de la le- de inducci&n de arada- son generador, motor eléctrico, transformador, freno magnético - cocinas de inducci&n.
,- .enerador 6n generador de corriente continua elemental, consistente en una espira que penetra en un campo magnético. Este generador carece de utilidad prctica. +ucho ms importante es el alternador presente en la ma-or!a de las centrales eléctricas. En un alternador una tur#ina (mo%ida por agua o %apor, por e)emplo* hace girar un imn (el rotor * estando rodeado por una serie de #o#inas (el estator * en las que se induce una corriente eléctrica. 7omo el campo magnético se encuentra en rotaci&n con %elocidad angular el resultado es una corriente alterna de frecuencia angular . 7uando se usan o 9 #o#inas el resultado son tres corrientes alternas desfasadas un tercio de periodo, que es lo que se conoce como corriente alterna trifsica.
:am#ién puede construirse un generador mediante el sistema in%erso de hacer girar una ;espira en un campo magnético estacionario. Empleando conexiones adecuadas puede conseguirse adems que la corriente %a-a siempre en el mismo sentido, lo que permite construir un generador de corriente continua.
/- 0otor el$ctrico
1- Transformador /l estudiar los efectos de inducci&n de una #o#ina ( primario* so#re otra (secundario* se o#tiene que en el caso ideal, el %olta)e que resulta en el secundario sea proporcional al %olta)e del primario. e esta manera se puede ele%ar o reducir el %olta)e a %oluntad. El dispositi%o formado por estas dos #o#inas alrededor de un núcleo es un transformador.
Los transformadores son esenciales en la transmisi&n de la energ!a eléctrica, porque al mismo tiempo que aumentan el %olta)e, reducen la intensidad de corriente. e esta forma se minimi'an las pérdidas por efecto >oule en la distri#uci&n de energ!a eléctrica.
2- Freno magn$tico Otra aplicaci&n directa de la le- de arada- es su uso en frenos magnéticos. Estos no se #asan, como podr!a pensarse, en la atracci&n magnética so#re una pie'a de hierro o acero.
o es as!, consiste en un electroimn que rodea a un disco metlico, unido r!gidamente a la rueda que se desea frenar. 7uando se aprieta el pedal, se hace circular corriente por el electroimn, creando un campo magnético so#re el disco. ?or la le- de arada- se inducen corrientes en el material conductor. Estas corrientes en el interior del material se denominan corrientes de oucault. /l existir corrientes se disipa energ!a por efecto >oule. Esta energ!a procede de la energ!a cinética de la rueda, que por tanto se %e frenada.
3- Cocinas de inducci4n El mismo principio de los frenos magnéticos se aplica si lo que queremos es producir calor. 6na cocina de inducci&n consiste en un imn en espiral situado de#a)o de la placa %itrocermica, que produce un campo magnético alterno (que %ar!a como el coseno de tú*. /l colocar so#re la cocina un recipiente metlico se inducen corrientes de oucault en el propio recipiente - en el agua - alimentos que contiene. El calor li#erado por estas corrientes es el que se emplea para cocinar los alimentos
5- INT)RRUTOR D) F'LL' ' TI)RR' El interruptor de falla a tierra (@A, por sus siglas en inglés* es un interesante dispositi%o de seguridad que protege a los usuarios de aparatos eléctricos contra choques eléctricos. "u operaci&n apro%echa la le- de arada-. En el @A mostrado en la figura 1, el alam#re 1 %a de la toma de corriente de la pared al aparato que ser protegido, - el alam#re 2 parte del aparato - regresa a la toma de corriente de la pared. 6n anillo de hierro rodea a los dos alam#res - una #o#ina de detecci&n se enrolla alrededor de una parte del anillo. ?uesto que las corrientes en los alam#res estn en direcciones opuestas, el flu)o magnético neto est a tra%és de la #o#ina de detecci&n de#ido a las corrientes es cero. "in em#argo, si cam#ia la corriente de retorno en el alam#re 2, el flu)o magnético neto a tra%és de la #o#ina de detecci&n no es ms grande que cero. (Esto puede ocurrir, por e)emplo, si el aparato se mo)a, permitiendo que la corriente se fugue a tierra.* e#ido a que la corriente doméstica se est alternando (lo cual significa que su direcci&n se mantiene in%irtiéndose*, el flu)o magnético a tra%és de la #o#ina de detecci&n cam#ia con el tiempo, induciendo una fem en la #o#ina. Esta fem inducida se usa para acti%ar un interruptor de circuito, que detiene la corriente antes de que alcance un ni%el noci%o.
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7omponentes esenciales de un interruptor de falla a tierra
6- )*TUF' )L)CTRIC' Esta estufa eléctrica cocina comida con #ase en el principio de inducci&n. 6na corriente oscilante se pasa a tra%és de una #o#ina colocada de#a)o de la superficie de cocci&n, la cual est hecha de un %idrio especial. La corriente produce un campo magnético oscilatorio, el cual induce una corriente en el utensilio de cocina. ?uesto que el utensilio de cocina tiene alguna resistencia eléctrica, la energ!a eléctrica asociada con la corriente inducida se transforma en energ!a interna, la cual pro%oca que el utensilio - su contenido se calienten.
7- (RODUCCIÓN
D)
*ONIDO )N UN' .UIT'RR'
)L8CTRIC'& La #o#ina, que en este caso se llama #o#ina fonocaptora, se pone cerca de la cuerda %i#rante, la cual est hecha de un metal que puede magneti'arse. 6n imn permanente dentro de la #o#ina magnética la porci&n de la cuerda ms cercana a la #o#ina. 7uando la cuerda %i#ra a cierta frecuencia, su segmento magneti'ado produce un flu)o magnético %aria#le a tra%és de la #o#ina. El flu)o %aria#le induce una fem en la #o#ina, la cual alimenta a un amplificador. La salida del amplificador se en%!a a los alta%oces, lo cual produce ondas sonoras que se escuchan. En una guitarra eléctrica, una cuerda %i#ratoria induce una fem en una #o#ina fonocaptora. #* los c!rculos de#a)o de las cuerdas metlicas de esta guitarra eléctrica detectan las notas que se tocan - en%!a esa informaci&n a tra%és de un amplificador - a las #ocinas,
(6n interruptor so#re la guitarra permite que el músico seleccione cual )uego de seis se usa* B7&mo siente un 3captor4 de guitarra que música se est tocandoC
9- )L 'LT)RN'DOR Es el nom#re que reci#e el generador de corriente alterna. "e #asa en la producci&n de una fuer'a electromotri' alterna mediante el fen&meno de inducci&n electromagnética. El imn que genera el campo magnético se denomina inductor - la #o#ina en la que se induce la fuer'a electromotri' reci#e el nom#re de inducido. Los dos extremos de hilo conductor del inducido se conectan a unos anillos colectores que giran )unto con la #o#ina. Las esco#illas, que suelen ser de grafito, estn en contacto permanente, mediante fricci&n, con los anillos colectores - transmiten la tensi&n eléctrica producida a los #ornes del generador en donde puede conectarse a un circuito exterior. ?or lo general, la #o#ina del inducido se monta so#re un núcleo de hierro. La ele%ada permea#ilidad magnética de este material hace que el campo magnético que atra%iesa la #o#ina aumenteD ello significa que las l!neas de fuer'a se aproximan entre s! aumentando el flu)o magnético -, consiguientemente, el %alor mximo de la f.e.m. inducida. 6n efecto seme)ante se consigue aumentando el número de espiras del inducido. En los grandes alternadores, el inducido est fi)o - es el inductor el que se mue%e, de modo que en este caso no son necesarios los anillos colectores ni las esco#illas. /unque la inducci&n electromagnética depende del mo%imiento relati%o entre el campo magnético - el conductor, con este procedimiento se consigue sal%ar algunos incon%enientes relacionados con el paso de corrientes ele%adas por el colector - las esco#illas. ?or lo general, en los alternadores comerciales el campo magnético es producido por un electroimn - no por un imn naturalD en tales casos el inductor se denomina tam#ién excitador, pues es eléctrica la que excita la producci&n del campo magnético externo.
una corriente
Los alternadores son los elementos esenciales en las centrales eléctricas. En ellos se genera una mu- alta tensi&n eléctrica que se transporta a tra%és de una red de tendidos eléctricos - es transformada en estaciones intermedias para llegar finalmente hasta los enchufes domésticos.
,:- L' DIN'0O ?uede ser considerada como una modificaci&n del alternador que permite generar corrientes continuas. ?ara lograr que la corriente que circula por la #o#ina tenga un único sentido, se han de in%ertir las conexiones )usto en el instante en el que la fem cam#ia de signo. Ello se consigue sustitu-endo los anillos colectores por un cilindro metlico compuesto de dos mitades aisladas entre s! o delgas conectadas cada una a un extremo de hilo conductor de la #o#ina. Esa pie'a se denomina conmutadora porque cam#ia o conmuta en cada media %uelta la polaridad del generador, de tal forma que la tensi&n que llega a los #ornes a tra%és de las esco#illas tiene siempre el mismo signo - al conectarlo al circuito exterior produce una corriente continua. En las dinamos sencillas la tensi&n producida, aunque tiene siempre el mismo signo, no mantiene un mismo %alor, sino que %ar!a de una forma ondulada o pulsante. "in em#argo, es posi#le conseguir una fem prcticamente constante introduciendo un número suficiente de #o#inas, di%idiendo otras tantas %eces el anillo colector - a$adiendo los correspondientes pares de esco#illas. ?or este procedimiento la ondulaci&n de la tensi&n, que es pronunciada en una dinamo sencilla, se reduce a un ligero ri'ado desprecia#le. 7omo un e)emplo de este efecto, las #icicletas utili'an la dinamo para producir lu' a partir del mo%imiento. :ratndose por lo general de una dinamo sencilla, puede o#ser%arse c&mo a #a)a %elocidad la intensidad luminosa aumenta - disminu-e alternati%amente a un ritmo que depende de la %elocidad. 7uando ésta es suficiente, la rapide' de la oscilaci&n unida a la inercia del sistema hace que la intensidad luminosa de la lmpara se mantenga prcticamente constante. Este efecto es seme)ante al que se consigue al aumentar el número de #o#inas, de delgas - de esco#illas. La dinamo es una mquina re%ersi#le que puede actuar
como motor si se le aplica a tra%és de las esco#illas una corriente continua de intensidad con%eniente. En el primer caso, funcionando como dinamo, la mquina transforma energ!a mecnica en energ!a eléctricaD en el segundo transforma energ!a eléctrica en mo%imiento.
CONCLU*IÓN e acuerdo a lo anali'ado - o#ser%ado en la prctica de la#oratorio so#re la le- de inducci&n de arada-, as! como lo in%estigado so#re las aplicaciones de la misma - los conceptos proporcionados en clase, nosotros podemos concluir que La le- de inducci&n de arada- es uno de los postulados que relacionan el magnetismo con la electricidad. arada-, al igual que muchos otros cient!ficos han intentado explicar esta relaci&n, - con ello han logrado modificar por completo nuestra %ida diaria. E)emplo de ello, es que con esta le- se explican funcionamientos de di%ersos aparatos como los generadores, los transformadores, los frenos magnéticos, entre otros, sin contar que estos aparatos son la #ase para muchas de nuestras acti%idades diarias, entre estas, nuestro alum#rado eléctrico. "e podr!a decir que nosotros dependemos de la lu', es decir, aunque en el d!a no necesitemos lu' eléctrica para %er, en la noche es indispensa#le, adems de que los electrodomésticos funcionan con ella. Esto quiere decir que no solo necesitamos el electromagnetismo (com#inaci&n de magnetismo - electricidad*, sino que estamos rodeados por él, tal es el caso del campo magnético terrestre - sus efectos. ?uede ser que en ingenier!a #ioqu!mica, creamos que no necesitamos de esta ciencia. ?ero esto no es %erdad. Esto sir%e como #ase para conocer la operaci&n de mquinas eléctricas que tra#a)an #a)o estas - otras le-es.
La le- de inducci&n de arada- se puede decir, que es algo comple)o pero en realidad no lo es. =a#lamos de signos - de flu)os en un circuito, los cuales siempre %amos a necesitar para operar maquinas, e incluso para comprarlos. La fem es mu- importante dentro de un circuito, si es inducida o no. En ocasiones, no es munecesario sa#er de d&nde pro%iene, pero algunas %eces s!. La cantidad o el %alor de un flu)o siempre sern importantes en el momento de armar o estructurar un aparato eléctrico.
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httpdocencia.udea.edu.coregionali'acionirsJ
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. Keichner
