Principios de Inducción Electromagnética: Autoinducción y la Inductancia

Generación de Corriente Inducida: Principios Fundamentales

El funcionamiento de ciertos dispositivos eléctricos es similar al de un alternador. Consiste en una espira o bobina que gira entre los polos de un imán, de modo que la variación del flujo magnético genera una corriente inducida. La diferencia fundamental radica en cómo se conectan los extremos de la espira con el circuito externo. En un generador de corriente continua (dinamo), los extremos de la espira están conectados a un anillo colector dividido (o conmutador de delgas) que, apoyado sobre escobillas, invierte la conexión cada media vuelta. Debido a ello, la corriente en el circuito externo circula siempre en el mismo sentido.

Autoinducción: La Reacción del Circuito a su Propia Corriente

Si la corriente que alimenta un circuito eléctrico varía con el tiempo, el campo magnético creado por esta corriente y el flujo magnético a través del propio circuito también experimentan variaciones. Como consecuencia, se induce una fuerza electromotriz (FEM) por la variación de intensidad en el propio circuito. Este fenómeno se conoce como autoinducción.

Consideremos ahora un circuito eléctrico formado por una batería, una bobina y un interruptor. Analicemos qué le sucede a este circuito cuando se cierra y se abre el interruptor:

• Al cerrar el interruptor: La intensidad de corriente tarda un tiempo en alcanzar su valor estacionario. Durante este tiempo, el flujo magnético varía desde cero hasta su valor máximo, induciéndose una fuerza electromotriz que se opone al aumento instantáneo de la intensidad del circuito. Por este motivo, se la conoce como fuerza contraelectromotriz.
• Al abrir el circuito: De modo parecido, la intensidad tarda un tiempo en anularse. Así, la fuerza electromotriz autoinducida se opone a que la intensidad se reduzca a cero de manera instantánea.

En ambos casos, tanto en la apertura como en el cierre, la fuerza electromotriz inducida puede tener valores elevados, creando chispazos entre los bornes de la bobina o en el interruptor. La gráfica adjunta (no proporcionada en el texto original, pero mencionada) muestra de manera cualitativa la evolución temporal de la intensidad de corriente.

Inductancia: Cuantificando la Autoinducción

Cuando se alimenta un solenoide con N espiras, de sección S y longitud L, con una intensidad I, se crea un campo magnético uniforme en su interior dado por la expresión B = μ₀NI/L (asumiendo un núcleo de aire o vacío). Este campo es perpendicular a toda la espira, de modo que se crea un flujo magnético en el propio solenoide dado por Φ = NBS.

Se observa que el flujo magnético es proporcional a la intensidad de corriente. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de coeficiente de autoinducción o inductancia y se representa con la letra L. En el presente caso, la inductancia de un solenoide es L = μ₀N²S/L.

Esta relación de proporcionalidad entre flujo e intensidad es válida en general para cualquier circuito, ya que, según la ley de Biot-Savart, el campo magnético creado por una corriente eléctrica es proporcional a la intensidad. Sin embargo, en el caso de circuitos que contienen bobinas o solenoides, el valor de la inductancia es más elevado y el fenómeno de la autoinducción es más apreciable.

Una variación de intensidad del circuito causa una variación de flujo. Si esta variación tiene lugar en un tiempo Δt, la fuerza electromotriz inducida promedio en este intervalo es, según la ley de Faraday:

ε = -ΔΦ/Δt = -L(ΔI/Δt)

Si el intervalo de tiempo se hace muy pequeño, obtenemos la fuerza electromotriz instantánea:

ε = -L(dI/dt)

Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el henrio (H). Un henrio es la autoinducción de un circuito para la cual una variación de intensidad de 1 A/s induce una fuerza electromotriz de 1 V; por lo tanto, 1 H = 1 V·s/A.