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.

Jaula de Faraday

La Jaula de Faraday fue descubierta por el científico británico Michael Faraday.

Dicha jaula es una caja, rejilla o malla metálica que forma un recinto capaz de bloquear los campos electromagnéticos.

La jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo,  en el interior de la caja o rejilla metálica se anulan los efectos de los campos eléctricos externos.

Cuando dicha caja o rejilla se coloca en un campo eléctrico exterior, las cargas positivas se quedan en su posición original, fijas en la red, mientras que los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico, y aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva). Esto genera un campo eléctrico de igual  magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético externo, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0, formando una barrera de bloqueo.

• Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que se reflejan en las superficies conductoras (estas actuancomo si fueran espejos). Las de las emisoras de FM tienen longitudes del orden de unos pocos metros, y las de AM, de unos cientos de metros.
• Un aparato de radio en funcionamiento deja de sonar al introducirlo en una jaula de malla metálica.

Para que suceda lo mismo con un teléfono móvil necesitaríamos una malla mucho más tupida o, mejor aún, envolverlo en papel de aluminio.

• Horno microondas

Evitar la salida de las ondas microondas del horno microondas y de esta manera calentar la comida.

Recordar que la frecuencia de calentamiento  de la moléculas de agua se encuentra alrededor de los 2450MHz.

Esta frecuencia puede causar interferencias a las redes Wifi y bluetooth que usan frecuencias parecidas. Para evitar esto se utiliza el efecto Jaula Faraday para que las ondas microondas no salgan al exterior, el horno se recubre de una malla metálica. La longitud de onda en la banda de los 2450 MHz es de 12,5 cm.

Las ondas se encuentran perfectamente atrapadas dentro del microondas, ya que rebotan en sus paredes metálicas y no son capaces de salir a través del plástico transparente de la puerta. Para que una onda pueda atravesar una abertura, esta debe ser mayor que la longitud de onda de la onda. Y la rejilla que hay en la puerta está formada por orificios un centenar de veces más pequeños que la longitud de onda de las microondas.

• Carteras, billeteras y bolsos que impiden leer la información de las tarjetas de crédito.

Esta s sirve para lograr que no se pueda leer con un lector la información que incorporan los chips NFC de las tarjetas de crédito. Aunque lo cierto es que esto no es tan sencillo, la verdad es que en ciertas circunstancias se podrían provocar situaciones de riesgo por el uso de esa tecnología de pago inalámbrica.

• Bolsas Faraday

Son bolsas y cajas con aspecto normal, cuyo interior han modificado delincuentes itinerantes para inhibir los sistemas de alarma

Se trata de mochilas, bolsos y cajas de aspecto normal cuyo interior han modificado mediante la colocación de papel de aluminio y cinta de precinto, consiguiendo de esta manera que los productos que introducen en el interior, pasen por los arcos de seguridad sin que se activen las alarmas.

• Dispositivos electrónicos.

Los teléfonos móviles, dispositivos de audio emplean el principio de jaula de Faraday para evitar interferencias y ruidos entre los altavoces y micrófonos. 

Esta rejilla se utiliza para evitar el ruido molesto de las interferencias entre el teléfono móvil y su altavoz.

•  El coche.

El coche forma una jaula de Faraday para proteger a sus ocupantes en caso de que el vehículo sea alcanzado por un rayo.

Si vais un día en vuestro coche y empieza una tormenta,  quedaos  dentro ya que es una perfecta Jaula de Faraday  y no sufriréis ningún daño.  En la imagen podéis observar que el rayo  cae sobre el coche y se descarga por la rueda delantera.

• El avión

Uno de los ejemplos más impresionantes de la Jaula de Faraday se dan cuando un rayo cae en un avión.

La razón principal por la que un rayo no es capaz de derribar un avión en vuelo es que el fuselaje de aluminio de la nave actúa como una “jaula de Faraday”.

Impresionante. Como vemos, el avión es una simple Jaula de Faraday a gran escala,  el rayo atraviesa  el avión entra por una punta y sale por otra, pero sin afectar al interior, es decir, a los pasajeros y la maquinaria. La buena aplicación de este sencillo efecto salva miles de vidas.