Inducción Electromagnética: Experimentos Clave de Faraday y Henry

Experimentos Fundamentales de Faraday sobre Inducción Electromagnética

Primer Experimento: Imán y Espira

Consideremos una espira conductora conectada a un galvanómetro (G). Al no haber ningún generador conectado, inicialmente no circula corriente.

1. Si en la proximidad de la espira colocamos un imán de forma estática, el galvanómetro tampoco detecta paso de corriente.
2. Si dejamos la espira quieta y aproximamos el imán, se observa lo siguiente:

Observaciones Clave:

• El galvanómetro indica el paso de una corriente eléctrica.
• Cuanto más rápido es el movimiento relativo entre el imán y la espira, mayor es la intensidad de la corriente indicada por el galvanómetro.
• Si se detiene el movimiento del imán (o de la espira), la corriente desaparece (el galvanómetro marca cero).
• Si se aleja el imán, la aguja del galvanómetro se mueve nuevamente, pero en sentido contrario al observado durante el acercamiento.
• Si dejamos el imán quieto y movemos la espira (acercándola o alejándola), se observan exactamente los mismos efectos.

Conclusiones de Faraday:

• Solamente aparece corriente eléctrica mientras exista movimiento relativo entre la espira (conductor) y el imán (fuente de campo magnético).
• La corriente inducida cambia de sentido si se invierte el sentido del movimiento relativo.
• En estos experimentos se genera una corriente eléctrica sin necesidad de un generador (como una pila) conectado directamente al circuito. Esta corriente se denomina corriente inducida.
• La causa de esta corriente inducida es una fuerza electromotriz inducida (f.e.m.) en el circuito.
• En la generación de corrientes inducidas intervienen dos elementos clave:
  • El inducido: Es el circuito donde aparece la corriente inducida (en este caso, la espira).
  • El inductor: Es el agente que produce el fenómeno (en este caso, el imán o, más precisamente, la variación del campo magnético del imán a través de la espira).

Segundo Experimento: Dos Espiras

Si sustituimos el imán por otra espira (circuito primario) conectada a un generador, circulará por ella una corriente continua, generando un campo magnético a su alrededor. Si esta espira primaria y la segunda espira (conectada al galvanómetro, circuito inducido) permanecen quietas una respecto a la otra, el galvanómetro no detecta corriente en la segunda espira. Sin embargo, si se acerca o aleja la espira primaria de la secundaria, el galvanómetro indica el paso de corriente inducida en uno u otro sentido, de forma análoga al experimento con el imán.

Tercer Experimento: Interruptor y Corriente Variable

Consideremos nuevamente dos espiras cercanas. La primaria está conectada a un generador a través de un interruptor, y la secundaria está conectada al galvanómetro.

• Al cerrar el interruptor en el circuito primario, la corriente en él pasa de cero a un valor estable. Durante este breve instante de cambio, el galvanómetro detecta un paso momentáneo de corriente inducida en el secundario. Una vez que la corriente en el primario se vuelve constante (estacionaria), la corriente inducida desaparece.
• Al abrir el interruptor del circuito primario, la corriente en él cae de su valor estable a cero. Durante este cambio, el galvanómetro detecta nuevamente un paso momentáneo de corriente inducida, pero en sentido opuesto al observado al cerrar el interruptor.

Ley de Faraday: La Variación del Flujo Magnético

Tras estos experimentos, Michael Faraday observó que la causa fundamental de la corriente inducida (y por tanto, de la f.e.m. inducida) no es la simple presencia de un campo magnético o un flujo magnético (Φ_m) a través del circuito, sino su variación en el tiempo. Enunció entonces la ley que lleva su nombre:

«La fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en cualquier circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa la superficie delimitada por el circuito.»

Ley de Lenz: El Sentido de la Corriente Inducida

La Ley de Faraday cuantifica la f.e.m. inducida, pero no especifica el sentido de la corriente resultante. Esto fue resuelto por Heinrich Lenz con su ley, que es una manifestación del principio de conservación de la energía aplicado al electromagnetismo:

«El sentido de la corriente inducida en un circuito es tal que el campo magnético producido por esta corriente inducida se opone a la variación del flujo magnético que la originó.»

Matemáticamente, la Ley de Faraday se complementa con la Ley de Lenz introduciendo un signo negativo, representando esta oposición:

Aplicación de la Ley de Lenz

Aplicando la Ley de Lenz, podemos deducir el sentido de la corriente inducida en los experimentos descritos. Por ejemplo, al acercar el polo norte de un imán a la espira, aumenta el flujo magnético 'entrante' que la atraviesa. Para oponerse a este aumento de flujo entrante, la corriente inducida (i) en la espira debe generar un campo magnético inducido (B_inducido) propio, cuyo flujo sea 'saliente' (opuesto al del imán). Usando la regla de la mano derecha, se puede determinar el sentido de la corriente i necesario para crear ese B_inducido opuesto.

Observaciones de Joseph Henry: F.E.M. de Movimiento

Casi simultáneamente a Faraday (alrededor de 1831) y de forma independiente, el científico estadounidense Joseph Henry realizó descubrimientos similares sobre la inducción. Observó específicamente que si un conductor rectilíneo de longitud l se mueve con velocidad v perpendicularmente a las líneas de un campo magnético uniforme B, se induce una diferencia de potencial (voltaje) entre sus extremos.

Esta diferencia de potencial, a menudo llamada f.e.m. de movimiento, origina una corriente inducida si el conductor forma parte de un circuito cerrado.

Hechos Observados por Henry:

• Cuando el conductor se mueve cortando las líneas de campo magnético, un galvanómetro conectado al conductor (formando un circuito) indica el paso de una corriente.
• El sentido de la corriente inducida depende del sentido del movimiento del conductor (v) y de la dirección del campo magnético (B). Invertir el sentido del movimiento invierte el sentido de la corriente.
• Si el conductor está quieto (v=0) o se mueve paralelamente a las líneas del campo magnético (de modo que no las 'corta'), no se induce ninguna f.e.m. ni corriente. La inducción en este caso requiere que el conductor atraviese las líneas de campo.