Ley de Faraday-Henry: inducción electromagnética y corrientes inducidas

Experimento de Faraday-Henry

Tras el descubrimiento de Oersted, que demostró que una corriente eléctrica produce campos magnéticos, Joseph Henry y Michael Faraday se preguntaron si un campo magnético podía producir electricidad. Así descubrieron las corrientes inducidas, base del desarrollo de toda la industria eléctrica actual.

Experimento de Faraday (1831)

Faraday enrolló dos bobinas de hilo aislado entre sí alrededor de un cilindro de madera. Una bobina se conectó a una pila con su interruptor, y en la otra colocó un galvanómetro para detectar el paso de corriente.

• Al cerrar el interruptor, en el hilo conectado al galvanómetro aparecía una corriente solo cuando se abría o cerraba el circuito, y desaparecía cuando la corriente alcanzaba un estado estacionario.

Después conectó una bobina a un galvanómetro y la colocó cerca de un imán permanente. Observó que siempre que introducía o sacaba el imán circulaba corriente por la bobina, y que esta desaparecía al parar el imán. Los mismos efectos se producían si se acercaba la bobina al imán en reposo.

Experimento de Henry

Años antes, Henry descubrió que cuando un conductor se mueve perpendicularmente en el seno de un campo magnético se origina una diferencia de potencial entre sus extremos. Si los extremos están cerrados formando un circuito, aparece una corriente. Al invertir el movimiento del conductor o el sentido del campo B, se invierte el sentido de la corriente.

Podemos interpretar este experimento considerando el fenómeno de inducción como consecuencia de la fuerza de Lorentz que actúa sobre las cargas que se mueven en el seno del campo B:

$$\vec{F}=q(\vec{v}\times\vec{B})\quad F=qvB$$

Las cargas se acumulan con energía negativa en un extremo del conductor, generando un campo eléctrico E en su interior. El proceso cesará cuando $F_m=F_e$, es decir, $qvB=qE$, de donde $E=vB$.

Flujo magnético

Considerando B y dS como superficie elemental, característica por el vector dS perpendicular al elemento de superficie, se define el flujo elemental del campo a través de dicho elemento de superficie como el producto escalar del vector B por el dS:

$$d\Phi = \vec{B}\cdot d\vec{S} = B\,dS\cos\theta$$

Su unidad es el weber (Wb).

Leyes de Faraday y Lenz

• Ley de Faraday: la variación del flujo magnético a través de un circuito crea una fuerza electromotriz inducida, directamente proporcional a la velocidad de variación del flujo.
• Ley de Lenz: el sentido de la corriente inducida es tal que, por sus efectos, se opone a la causa que la produce.

Ambas leyes unidas permiten formular el fenómeno de inducción mediante:

$$\varepsilon=-\frac{d\Phi}{dt}$$

Ejemplo de aplicación

Si un imán inductor se aleja de una bobina, la corriente inducida lo frenará, creando un campo B del mismo sentido que el que crearía un imán con polo S enfrentado al N del primero.

La intensidad de la corriente inducida se calcula mediante la ley de Ohm:

$$I=\frac{\varepsilon}{R}$$