Inducción electromagnética : introducción :

Inducción electromagnética :
introducción :
El descubrimiento de Oersted segun el cual las cargas electricas en
movimiento interaccionan con los imanes y el descubrimiento posterior de que
los campos magnéticos ejercen fuerzas sobre corrientes eléctricas, no solo
mostraba la reacción entre dos fenómenos físicos hasta entonces
independientes, sino también porque podría ser un camino para producir
corrientes eléctricas de un modo mas barato que con la pila de volta.
Faraday fue el que obtuvo primeros resultados positivos en la producción de
corrientes eléctricas mediante campos magnéticos.
Corrientes inducidas : leyes de Faraday y de Lenz
Faraday descubrió que cuando un conductor es atravesado por un flujo
magnético variable, se genera en el una fuerza electromotriz inducida que da
lugar a una corriente eléctrica.
El sistema que generaba la corriente (el imán en nuestra experiencia) se
llama inductor y el circuito donde se crea la corriente, inducido (la bobina
en nuestro caso).
Este fenómeno de inducción electromagnética se rige por dos leyes, una de
tipo cuantitativo conocida con el nombre de ley de Faraday y otra de tipo
cualitativo o ley de Lenz.
Ley de Faraday :
Faraday observo que la intensidad de la corriente inducida es mayor cuanto
mas rápidamente cambie el numero de líneas de fuerza que atraviesan el
circuito. (En nuestro caso cuanto mayor es la velocidad del imán o de la
bobina, mayor es la intensidad de la corriente se crea en esta ultima) Este
hecho experimental esta reflejado en la ley que se enuncia :
La fuerza electromotriz e inducida en un circuito es directamente
proporcional a la velocidad con que cambia el flujo que atraviesa el
circuito.
e=−NX(df¸dt)
siendo la constante de proporcionalidad N el numero de espiras que forman
el circuito. El signo << menos >> Tiene en cuenta el signo de la fuerza
electromotriz, al que se refiere la ley de Lenz.
Por otra parte, como la fuerza electromotriz en un circuito es el trabajo
que realiza un campo eléctrico (no estático), para trasladar la unidad de
carga a lo largo del circuito, se verifica :
e=f(F ¸q) X dl =f (E X dl) (si el campo fuera electrostático : f E X dl =0)
De acuerdo con esta ecuación ley de Faraday puede escribirse :
e=−fE Xdl =−N X(df¸dt)
puede crearse un campo eléctrico incluso cuando no exista conductor ni
ningún otro material, siempre que el flujo del campo magnético varíe.
Ley de Lenz :
El sentido de la fuerza electromotriz inducida es tal que la corriente que
crea tiende mediante sus acciones electromagnéticas, a oponerse a la causa
que la produce.
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Así, cuando el polo norte es acerca a la bobina crea en esta una corriente
inducida de sentido tal, que la cara que <<mira>> al imán sea otro polo
norte. Con esto la corriente tiende a ponerse a la causa que la ha
producido, el acercamiento del polo norte, y por tanto tiende a alejarlo.
Por el contrario al alejarse el polo norte, en la cara de la bobina que
<<mira>> al imán, se crea un polo sur para atraerlo.
De modo análogo se aplica la ley de Lenz cuando es el polo sur el que se
acerca o se aleja de la espira.
Autoinducción :
Según acabamos de ver, una corriente variable crea en otro circuito próximo
una corriente inducida, debido a que el campo magnético creado por la
primera varia a medida que lo hace su intensidad de corriente.
El propio circuito inductor esta, por otra parte, atravesado por las líneas
de fuerza del campo magnético que crea su propia corriente ; dicho campo
magnético será variable si la corriente también lo es y, en consecuencia, en
el circuito se creara una extracorriente llamada CORRIENTE AUTOINDUCIDA.
Según la ley de Lenz, el sentido de la corriente autoinducida el mismo de la
corriente inicial si la auto inducción se produce por una disminución de
aquella, o contrario si la causa ha sido un aumento de la corriente en el
circuito.
Las corrientes autoinducidas se ponen de manifiesto en la apertura y cierre
de un circuito. Cuando el circuito se cierra, la corriente no
crece bruscamente, sino de forma gradual. Esto es debido a que se crea una
corriente auto inducida (extracorriente de cierre) que se opone a la
principal.
Al abrir el circuito ocurre el mismo fenómeno pero en este caso la corriente
auto inducida (extracorriente de apertura ) tiende a mantener la principal
y, por lo tanto, es de su mismo sentido.
En general, el valor de la fem autoinducida en un circuito, según la ley de
Faraday, viene dada por :
pero la variación del flujo (df) es proporcional a la variación de la
intensidad de la corriente que lo produce
de donde :
L es una constante característica del circuito que se denomina COEFICIENTE
DE AUTOINDUCCION.
La autoinducción de un circuito se expresa por el símbolo :
Cuando no hay materiales de hierro cerca del circuito, L solo depende de su
geometría (longitud, sección y numero de espiras). Es muy pequeña si el
conductor es rectilineo, pero aumenta considerablemente al enrrollarlo en
espiral y mas aun si se le introduce un núcleo de hierro.
Transformadores :
Son sistemas con los que se pueden modificar los valores de la tensión e
intensidad de una corriente alterna manteniendo prácticamente constante su
producto VI, es decir, con pocas perdidas de potencia.
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La necesidad de los transformadores proviene del hecho de que para el
transporte de la energía eléctrica es preferible utilizar tensiones altas y
baja intensidades con el fin de disminuir la perdidas por calentamiento de
las líneas de transporte.
Un transformador sencillo consta de un núcleo de hierro dulce sobre el que
hay enrolladas dos bobinas aisladas entre si que constituyen respectivamente
el circuito primario y el circuito secundario.
En el circuito primario se aplica la corriente alterna que se pretende
transformar.
Dicha corriente crea un campo magnético variable Vp proporcional al numero
de espiras Np , que tiende a contrarrestar la tensión aplicada. Por esta
razón, apenas circula corriente por el primario.
Debido a la gran permeabilidad del hierro, prácticamente todo el flujo que
pasa por el primario lo hace por el secundario, creándose en este una
tensión inducida Vs proporcional al numero de espiras Ns y tal que :
Al unir los bornes del secundario a través de un circuito de utilización
circula por el una corriente IS ,y si IP es la que circula por el primario,
admitiendo que no hay perdidas de energía (los rendimientos pueden llegar a
ser del 99%) se verifica que :
Un transformador con np>ns es un reductor de tensión y si np<ns
es un elevador
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