Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un conductor, de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

Podemos observar que si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

Por otra parte,  Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz: «El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce».

Aplicaciones de la inducción electromagnética

1.- Quizá una de las aplicaciones más inadvertidas sea la de control y vigilancia. 

– Las tarjetas de crédito (con banda magnética) nos permiten pagar en el supermercado, la autopista o la gasolina. La banda magnética que está compuesta por partículas ferromagnéticas incrustadas en una matriz de resina (generalmente epoxi) y que almacenan cierta cantidad de información mediante una codificación determinada que polariza dichas partículas. La banda magnética es grabada o leída mediante contacto físico pasándola a través de una cabeza lectora/escritora gracias al fenómeno de la inducción magnética.

–  En el autobús o el metro los billetes son “inteligentes” y saben cuanto tienen que cobrarnos y cuanto crédito nos queda para seguir viajando.

– Una “llave“ magnética permite abrir la puerta de la habitación del hotel, aparcar en zonas reservadas o entrar en nuestro garaje de casa, subir al telesilla en la estación de eskí, etc…

– Las de vigilancia son las de las etiquetas antihurto en los grandes almacenes, en las bibliotecas, tiendas de discos, etc… Se trata de etiquetas magnetoacústicas que se basan en excitar magnéticamente una vibración elástica resonante en un material magnetostrictivo que se estira y se encoge cuado está inmerso en un campo magnético alterno. Este sistema es particularmente fiable y sensible y permite cumplir la labor de vigilancia al dar la alarma en caso  de hurto.

Las tiras de estas etiquetas están cortadas con un largo y un ancho calculados para que, de la misma forma que una cuerda de guitarra, vibren a una frecuencia exacta, por un fenomeno de resonancia. Por tanto, si aplicamos un campo magnético de 58kHz a una etiqueta, este campo magnético induce un movimiento en las placas resonadoras. Si la placa polarizadora está imantada, es decir está activada, se produce resonancia y vibran a esta frecuencia de 58kHz, escuchándose un eco tras apagar el campo magnético.

Al pasar por caja, una antena integrada en los lectores de códigos de barras emite un breve pulso magnético de 58kHz y escucha. Si oye un eco magnético tras el pulso significa que hay una etiqueta próxima. En cuanto lee el código de barras comienza el proceso de desactivado. Si la targeta está desimantada no hay eco.

A la salida de la tienda hay una antena transmisora y otra receptora. La antena transmisora está continuamente emitiendo pulsos magnéticos de 58kHz a razón de 100 pulsos por segundo. Mientras que la antena receptora está escuchando esos pulsos.

Cuando una etiqueta que ha pasado por caja, desactivada, se coloca entre las dos antenas no ocurre nada. Porque al estar el polarizador desimantado no hay resonancia, el campo no le afecta.

Si pasamos con una etiqueta sin desactivar, esta absorbe energía del campo magnético, resuena en 58kHz y emitirá un eco magnético tras cada pulso. Este eco lo captará la antena receptora que inmediatamente hará sonar la alarma.

2.- Una del las principales aplicaciones es la de gererar energia eléctrica.

-La dinamo es un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, debido a la rotación de cuerpos conductores en un campo magnético. El término «dinamo» es usado especialmente para referirse a generadores de los que se obtiene corriente continua.

Una espira de hilo de cobre se hace girar, entre los polos de un imán permanente. El giro es producido por una fuente externa. La espira va sujeta al armazón y conectada a unos colectores que se comporta como un conmutador. Los colectores estan cortados y tocan las escobillas fijas, al girar  hacen que la corriente tenga una única dirección, generando de esta manera corriente continua. Un de sus primeros usos fue la instalación en bicicletas para generar energía y poder alumbrar.

-El alternador. Si hacemos girar una espira de  cobre, situada entre los dos polos de un imán, inducimos una corriente eléctrica. Al girar la espira varia el flujo magnético que la atraviesa. Cuando la espira pasa junto al polo norte del imán, corta las líneas magnéticas que éste genera, induciéndose una corriente en las espiras. Si sigue girando cuando la espira pasa frente a la zona neutra, la corriente desaparece hasta que la espira se aproxima al polo sur, donde se vuelve a inducir una corriente de sentido contrario. En un lado de la espira la corriente que se genera es en un sentido y en el otro lado es de sentido contrario.

La corriente recogida, de esta forma, está cambiando constantemente de dirección: cada vez que el rotor gira media vuelta, el alambre positivo se convierte en negativo y viceversa, por este motivo esta corriente recibe el nombre de corriente alterna.

Como vemos se genera una onda de corriente alterna, cambia el sentido de la corriente y además la intensidad es variable (no siempre es la misma). Si somos capaces de unir los extremos de la espira a un receptor tendremos un generador de corriente eléctrica, en este caso de corriente alterna (alternador). En España los alternadores de las centrales eléctricas giran 50 veces por segundo, es decir la frecuencia de la corriente eléctrica es de 50 Hz (hertzios). Se repite la misma onda 50 veces cada segundo.

3.- Las Placas de inducción

Las placas de inducción funcionan y, efectivamente, calientan la comida manteniendo fría la superficie, de manera más eficiente, más controlable y más segura que las vitrocerámicas o las cocinas de gas.

Su funcionamiento se basa en obtener calor a partir de un campo magnético variable en un material conductor.

Una diferencia de potencial de corriente alterna es aplicada a las terminales de un solenoide, la corriente alterna fluye a través de las bobina o solenoide creando un campo magnético variable. Si un cuerpo conductor es insertado cerca de la bobina, la variación en el flujo magnético que pasa a través del cuerpo y, de acuerdo con la ley de Lenz, induce una fuerza electromotriz (fem), que actua sobre las cargas creando corrientes inducidas, que son convertidas en calor debido al efecto Joule y calentado el cuerpo.

La tecnología de inducción funciona cuando el recipiente con el contenido de hierro adecuado se coloca sobre la superficie de cocción. Y solo entonces: si no hay cazuela la placa no funciona. Por eso es una tecnología tan segura. El único calor de la superficie de cristal es el que se transfiere de la cazuela. Nada más. Y no vale cualquier recipiente porque los recipientes tienen que tener elementos ferromagnéticos que se vean afectados por el campo magnético. Para que la placa de inducción funcione es necesario que el menaje tenga los elementos de hierro justos.

4.- Detector de metales.

Toda corriente eléctrica genera un campo magnético, es decir, la «electricidad» (o sea, los electrones en movimiento) cuando fluye por el cable genera un campo magnético. Los metales son buenos conductores de la electricidad y además todos tienen comportamiento magnético aunque no todos por igual.  Existen tres tipos de magnetismo: ferromagnétismo, diamagnétismo i paramagnetismo.

Un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera un campo magnético. Este campo magnético atrae a los materiales ferromagnéticos, repele a los antiferromagnéticos y a los diamagnéticos y atrae aunque de una forma más sutil a los paramagnéticos. Cuando el detector «nota» que el campo magnético que genera produce uno de estos efectos pita.

Aplicaciones del electromgnetismo

Electroimán

Un hilo conductor enrollado por el que pasa corriente forma una espira, y un conjunto de espiras paralelas por las que la corriente eléctrica circula en la misma dirección se denomina bobina o solenoide.

Un electroimán está formado por una bobina o solenoide. De manera que  se forma un imán, creando un polo Norte en una cara y un polo Sur en la cara opuesta.  Si en el interior de la bobina colocamos un trozo de hierro o cualquier sustancia ferromagnética, obtenemos un campo magnético más intenso. El lado del imán donde salen las lineas de campo es el polo norte, y por el que entran, el polo sur.

A diferencia de un imán permanente, en el electroimán  cuando cortamos la corriente eléctrica desaparece el campo magnético. La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético podemos variarlo controlando la intensidad de la corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo magnético.

El electroimán tiene multitud de aplicaciones, en grúas para cargar chatarra, en separación de metales, en relés de circuitos eléctricos, en el timbre, en telégrafos, en los motores de arranque, …

Motor eléctrico

Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica mediante la acción de campos magnéticos, produce movimiento a partir de una corriente eléctrica que circula por una bobina.

Si colocamos una bobina rectangular por la que circula una corriente eléctrica en el interior de un campo magnético uniforme (imán), la espira experimentará un giro debido a la aparición de un par de fuerzas. Por un lado de la espira aparece una fuerza que desplaza al conductor hacia arriba, mientras que por el otro lado de la espira la fuerza que aparece lo desplaza hacia abajo. Este par de fuerzas que aparece hace girar la espira. Si la espira se conecta a un eje, podremos convertir la energía eléctrica que circula por la espira en energía mecánica.

Los motores eléctricos son maquinas eléctricas rotatorias  que transforman la energía eléctrica en energía mecánica y tiene muchas utilidades: el tren eléctrico, el coche eléctrico, la batidora, el ventilador, …

El timbre

Un timbre eléctrico es un dispositivo consta de un circuito eléctrico compuesto por una pila o generador, un interruptor y un electroimán. El electroimán está unido a una pieza metálica llamada martillo, que golpea una campana pequeña.

Al cerrar el interruptor, la corriente circula por el  electroimán y este crea un campo magnético que atrae la armadura y hace que el martillo, que está  soldado a la armadura, golpee la campana produciendo un sonido.

Para conseguir que el martillo golpee la campana repetidamente mientras el interruptor esté cerrado, y no una sola vez, se sitúa un contacto eléctrico (tornillo) en la armadura que actúa como un interruptor. Así, cuando la armadura es atraída por el electroimán, se interrumpe el contacto, cesa la corriente en el electroimán y la armadura retrocede a su posición original. Allí vuelve a establecerse el contacto eléctrico, con lo que el electroimán vuelve a atraer a la armadura, y así sucesivamente. Golpeando el martillo repetidas veces a la campana.

El telégrafo

Dispositivo de telecomunicación destinado a la transmisión de señales a distancia. Samuel Morse demostró que las señales podían ser transmitidas por cable. Utilizó pulsos de corriente para desviar un electroimán, el cual movía un marcador para producir códigos escritos en una tira de papel -el código Morse- formado p0r puntos y guiones.

Cuando en la estación emisora se cierra el interruptor, comúnmente llamado manipulador, circula una corriente desde la batería eléctrica hasta la línea y el electroimán, lo que hace que sea atraída una pieza metálica terminada en un punzón que presiona una tira de papel, que se desplaza mediante unos rodillos de arrastre, movidos por un mecanismo de relojeria, sobre un cilindro impregnado de tinta, de tal forma que, según la duración de la pulsación del interruptor, se traducirá en la impresión de un punto o una raya en la tira de papel. La combinación de puntos y rayas en el papel se puede traducir en caracteres alfanuméricos mediante el uso de un código convenido, en la práctica el más utilizado durante muchos años ha sido el código de Morse.

Posteriores mejoras de los dispositivos emisores y transmisores han permitido la transmisión de mensajes de forma más rápida, sin necesidad de recurrir a un manipulador y a la traducción manual del código, así como el envío simultáneo de más de una transmisión por la misma línea. Uno de estos dispositivos telegráficos avanzados es el teletipo, cuyo modelo inicial era una máquina de escribir especial que transmitía como señales eléctricas las pulsaciones sobre un teclado, mientras imprimía sobre un rollo de papel o hacía perforaciones en una cinta también hecha de papel.

El tren Maglev

– El tren de levitación magnética también conocido como Maglev, es un sistema de transporte ferroviario en el cual el tren levita es elevado por potentes imanes que proporcionan propulsión y elevación. Hay rieles para orientar el tren pero el tren no está en contacto con los rieles, el tren flota en un campo magnético. Este tipo de tren utiliza los potentes electroimanes para impulsarse a lo largo del carril vía y para elevarse, algunos trenes va 1 cm por encima de la vía.

Este método tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte sobre ruedas. Ademas al ser menor el rozamiento ya que no existe contacto físico entre el raíl y el tren, este sistema ferroviario puede alcanzar velocidades  de hasta 600 km/h.

La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o EDS (electrdynamic suspension o suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas.

Las ventajas que proporciona el MAGLEV son numerosas y le hacen especialmente cualificado para líneas de corto recorrido pues su única desventaja es el alto coste de construcción y mantenimiento.

El galvanómetro

– Un galvanómetro es un dispositivo formado por varias espiras que llevan acoplada una aguja imantada. La espira está en el interior de un campo magnético creado por un imán. Cuando el circuito está abierto, no pasa corriente por el aparato y la aguja imantada señala el cero de la escala. Cuando hay corriente eléctrica, las cargas recorren las espiras creando otro imán que  gira, y de esta manera la aguja imantada se desplaza sobre una escala. Si la corriente eléctrica es mayor, el desplazamiento de la aguja será mayor.

Si en el circuito lo colocamos es serie, mide la diferencia de potencial, actúa como voltímetro. Si lo colocamos en paralelo, mide la intensidad de corriente eléctrica, actúa como amperímetro.

El transformador eléctrico

– Un transformador es un dispositivo capaz de convertir una diferencia de potencial alterna en otra diferencia de potencial alterna de las mismas caracteristicas que la anterior pero de distinto voltaje o intensidad.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

Un transformador eléctrico es un aparato que se utiliza para transformar la corriente alterna de 220 v a corriente continua comprendida entre los 3 V y los 25 V, que es la que utilizan la mayoría de los circuitos electrónicos. Estos aparatos normalmente funcionan con pilas o baterías, pero cuando los conectamos a la red necesitamos transformadores. En general, los transformadores que usamos en casa son reductores: el voltaje de salida es menor que el de entrada (220 V). Para convertir la corriente alterna en continua necessitamoas cuatro diodos configurados para formar un circuito «rectificador de onda completa».

El transformador puede utilizarse para elevar el voltaje (transformador elevador) o para reducirlo (transformador re

ductor).

El transformador consta de un núcleo formado por un bloque compacto de hierro o de ferrita, en el que se enrollan dos bobinas con diferente número de espiras. Uno de los arrollamientos se conecta a la corriente alterna inicial, es el llamado primario. Al pasar la corriente  por este primer arrollamiento,  genera un campo magnético alrededor del núcleo de hierro. Dicho campo magnético es variable, pues ha sido creado por una corriente alterna, y dará lugar a la generación de corrientes inducidas también alternas en el segundo arrollamiento, llamado secundario.

La relación entre las tensiones

V1/V2 = N1/N2

 

 

Generador eléctrico

Un generador eléctrico es un dispositivo que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, al contrario de lo que hace el motor eléctrico. El generador eléctrico puede ser una  dinamo o  un alternador. El alternador genera corriente alterna i la dinamo corriente continua.

– El alternador. Si hacemos girar una espira, de alambre de cobre, situada entre los dos polos de un imán, inducimos en la espira una corriente eléctrica. Al girar la espira varia el flujo magnético que la atraviesa. Cuando la espira pasa junto al polo norte del imán, corta las líneas magnéticas que éste genera, induciéndose una corriente en las espiras. Si sigue girando cuando la espira pasa frente a la zona neutra, la corriente desaparece hasta que la espira se aproxima al polo sur, donde se vuelve a inducir una corriente de sentido contrario. En un lado de la espira la corriente que se genera es en un sentido y en el otro lado es de sentido contrario. La corriente recogida, de esta forma, está cambiando constantemente de dirección: cada vez que el rotor gira media vuelta, el alambre positivo se convierte en negativo y viceversa, por este motivo esta corriente recibe el nombre de corriente alterna. 

La corriente alterna producida depende de la velocidad de rotación de la espira. En Europa la frecuencia de la corriente alterna es de 50 Hz.

–La dinamo.  La espira de hilo de cobre  se hacen girar entre los polos de un imán permanente.  La espira va sujeta al armazón y conectada a un colector que se comporta como un conmutador y hace que la corriente tenga una única dirección, generando de esta manera corriente continua. Un de sus primeros usaos fue la instalación en bicicletas para generar energía y poder alumbrar

 

 

Campo magnético terrestre

En 1600, William Gilbert descubrió que el planeta Tierra actuaba como un gran imán con el polo Sur magnético próximo al polo Norte geográfico, y, con el polo Norte magnético cerca del polo sur geográfico.

Los polos del campo magnético generado no coinciden exactamente con los polos geográficos, están desviados unos cuantos grados hacia el oeste si medimos desde Madrid. Este ángulo se denomina declinación magnética.  Se puede considerar en aproximación el campo creado por un dipolo magnético inclinado un ángulo de 10,5º  con respecto al eje de rotación.

 

 

Aunque hay varias teorías se cree que el campo magnético terrestre es generado por el efecto dinamo. En el núcleo terrestre existen, un núcleo interno sólido formado principalmente por hierro y níquel, y  un núcleo externo que es líquido,  y que está formado por un  magma muy caliente de un material conductor.  Cuando el planeta gira, el magma también gira. Cuando un material conductor se desplaza por un campo magnético ya existente aparecen corrientes eléctricas inducidas  que crean una dinamo dando lugar a otro campo magnético.

El campo magnético terrestre ha variado a lo largo de la historia. Con el análisis de los estratos de las rocas que tiene hierro, midiendo su magnetización se ha comprobado que ha habido épocas en las que el campo magnético ha sido cero y otras en las que se han invertido los polos, el Norte por el Sur. Durante los últimos cinco millones de años se ha invertido más de 20 veces. Puede darse una inversión cada 200 000 años.

Aunque los científicos no se ponen de acuerdo, algunos creen que la inversión de los polos magnéticos está relacionada con las corrientes de convección del núcleo . Tenemos dos posibilidades:

a) una inversión lenta. No se trata de un cambio súbito, sino de un proceso lento en el que el campo magnético se debilita, pierde fuerza y puede cambiar su polaridad.

b) una inversión rápida.  Se trata de una inversión súbita del campo magnético. En los últimos años se han encontrado evidencias que apuntan hacia este tipo de alteración, aunque no se ha podido determinar si se traducen en una inversión total de los polos.

El campo magnético terrestre es bastante débil, su intensidad en las proximidades del ecuador es del orden de 30 μT  = 0,30 gauss y va aumentando al acercarse a los polos donde su intensidad es de 70 μT  =  0,7 gauss.

1 T (Tesla) = 10 000 gauss

La brújula es un instrumento que nos permite orientarnos sobre la superficie terrestre. Está formada por una aguja imantada que puede moverse y que la utilizamos porque determina el Norte geográfico, se orienta siempre en la dirección sur-Norte. El polo Norte de la aguja señala el polo Norte geográfico porque este, está cerca del polo Sur magnético. Hay que tener en cuenta que polos opuestos de dos imanes se atraen.

La magnetosfera es una región alrededor de la Tierra, por encima de la ionosfera, en la que el campo magnético desvía la mayor parte del viento solar. El campo magnético de la Tierra protege la vida de nuestro planeta, resguardándonos de las radiaciones y moderando el clima. Protege a la Tierra de los rayos cósmicos que destruirían la atmósfera externa, incluyendo la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta.

El campo magnético terrestre actúa como un escudo contra el bombardeo continuo de partículas cargadas procedentes  Sol. Debido a que  los iones y electrones están cargados eléctricamente, éstos generan fuerzas magnéticas y la mayoría son desviadas por el campo magnético de nuestro planeta.

Buena parte de las partículas cargadas provenientes del viento solar son atrapadas en los cinturones de Van Allen. Un pequeño número de partículas del viento solar consigue llegar, siguiendo una línea del campo magnético hasta la alta atmósfera y la ionosfera en las zonas aurorales. El único momento en el que el viento solar es observable desde la Tierra es cuando es suficientemente fuerte como para producir fenómenos como las auroras.