Este documento describe el fenómeno de la inducción electromagnética y sus aplicaciones. Explica cómo se induce una corriente eléctrica en una bobina al mover un imán dentro de ella, y cómo esta corriente puede inducir otra corriente en una segunda bobina. También resume la ley de Faraday, la experiencia de Henry y las aplicaciones de la inducción electromagnética como el alternador y el motor eléctrico.

1. Trabajo de Física
INDUCCIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
Juanjo Alonso Hernández

2. INDUCCION ELECTROMAGNETICA:
Cuando movemos un imán permanente por el interior de
las espiras de una bobina solenoide (A), formada por
espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una
fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una
corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina,
producida por la “inducción magnética” del imán en
movimiento. Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos
una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la
corriente al circular por esta otra bobina crea a su
alrededor un “campo electromagnético”, capaz de inducir,
a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina.

3. Por ejemplo, si colocamos una tercera
bobina solenoide (C) junto a la bobina (B),
sin que exista entre ambas ningún tipo de
conexión ni física, ni eléctrica y
conectemos al circuito de esta última un
galvanómetro (G), observaremos que
cuando movemos el imán por el interior de
(A), la aguja del galvanómetro se moverá
indicando que por las espiras de (C), fluye
corriente eléctrica provocada, en este
caso, por la “inducción electromagnética”
que produce la bobina (B). Es decir, que
el “campo magnético” del imán en
movimiento produce “inducción
magnética” en el enrollado de la bobina
(B), mientras que el “campo
electromagnético” que crea la corriente
eléctrica que fluye por el enrollado de esa
segunda bobina produce “inducción
electromagnética” en una tercera bobina
que se coloque a su lado.

4. LEY DE FARADAY:
• La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente
Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday
realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito
cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia
en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie
cualquiera con el circuito como borde.
• Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del
contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una
superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno
C y de están dadas por la regla de la mano derecha.
• La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se
puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no
cambie con el tiempo.

5. EXPERIENCIA DE HENRY:
• Joseph Henry descubrió que si un conductor se mueve
perpendicularmente a un campo magnético, se origina una
diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Si el
conductor forma parte de un circuito cerrado, aparece una
corriente eléctrica.
•
• Al desplazar la varilla conductora, los electrones del metal se
mueven con una velocidad en el interior del campo magnético y
sobre ellos actúa una fuerza .
• La desplaza los electrones hasta el extremo a de la varilla y se
produce una acumulación de carga negativa en a y de carga
positiva en b, que produce un campo eléctrico que se opone al
desplazamiento de nuevos electrones. En el equilibrio y por lo
tanto y de este modo .
• Por tanto, el campo eléctrico inducido en el interior de la varilla
(conductor) es directamente proporcional al campo magnético
externo y a la velocidad de la varilla. El campo inducido crea una
diferencia de potencial , que se mantendrá mientras persista el
movimiento del conductor.
• Si se invierte el sentido del movimiento, la diferencia de potencial
se invierte.
• Al producirse este fenómeno hemos obtenido un conductor con
acumulación de cargas de distinto signo en sus extremos, esto es,
un generador. La diferencia de potencial entre los extremos del
conductor se denomina fuerza electromotriz (fem) ε y es la
magnitud característica del generador.

6. Ley de Faraday-Lenz
La ley de Faraday nos habla sobre la inducción electromagnética, la que origina
una fuerza electromotriz en un campo magnético. Es habitual llamarla ley de
Faraday-Lenz en honor a Heinrich Lenz ya que el signo menos proviene de la Ley
de Lenz. También se le llama como ley de Faraday-Henry, debido a que Joseph
Henry descubrió esta inducción de manera separada a Faraday pero casi
simultáneamente. Lo primero que se debe introducir es la fuerza electromotriz , si
tenemos un campo magnético variable con el tiempo, una fuerza electromotriz es
inducida en cualquier circuito eléctrico; y esta fuerza es igual a menos la derivada
temporal del flujo magnético, así:
como el campo magnético es dependiente de la posición tenemos que el flujo
magnético es igual a:

7. Además, el que exista fuerza electromotriz indica que existe un campo
eléctrico que se representa como:
con lo que finalmente se obtiene la expresión de la ley de Faraday:
Lo que indica que un campo magnético que depende del tiempo implica la
existencia de un campo eléctrico, del que su circulación por un camino
arbitrario cerrado es igual a menos la derivada temporal del flujo magnético
en cualquier superficie limitada por el camino cerrado.
El signo negativo explica que el sentido de la corriente inducida es tal que
su flujo se opone a la causa que lo produce, compensando así la variación
de flujo magnético (Ley de Lenz).

8. APLICACIONES DE LA INDUCCION
ELECTROMAGNETICA:
El alternador
Consiste en una espira plana que gira a velocidad
angular constante en el seno de un campo magnético
uniforme creado por imanes permanentes. Los
extremos de la espira están conectados a dos anillos
que giran solidariamente con esta. Un circuito externo
se acopla a los anillos mediante dos escobillas.
A medida que gira la espira va variando el número de
líneas de campo magnético que la atraviesan, debido a
que varía la superficie de la espira expuesta a los polos
del imán. Aparece una corriente eléctrica (una fuerza
electromotriz) en la espira que hace circular la corriente
eléctrica en el circuito exterior.
La fuerza electromotriz inducida (fem) varía en el tiempo
de forma sinusoidal, es decir, es periódica y cambia
alternativamente de polaridad.
En los alternadores de uso común se usa una bobina de
N espiras para aumentar en un factor N el flujo
magnético y la fuerza electromotriz inducida.

9. • La dinamo
• Consiste en una espira plana que se hace girar entre los polos de un imán,
de modo que la variación de flujo magnético que atraviesa la espira genera
una corriente inducida.
• Los extremos de la espira están conectados a dos semianillos apoyados
sobre las dos escobillas. A cada media vuelta de la espira los semianillos
cambian de escobilla y así, la corriente del circuito externo circula siempre
en el mismo sentido.
• Se llama receptor eléctrico a cualquier dispositivo que transforma energía
eléctrica en cualquier otra forma de energía. Si transforma energía eléctrica
en trabajo mecánico, recibe el nombre de motor eléctrico.
• El motor eléctrico consiste en una espira plana por la que circula una
corriente eléctrica situada entre los polos de un imán. El campo magnético
del imán ejerce sobre la espira un par de fuerzas que la hacen girar. Así se
consigue realizar trabajo mecánico.

10. AUTOINDUCCIÓN E INDUCTANCIA:
• Autoinducción: es un fenómeno electromagnético que se presentan en determinados
sistemas físicos como por ejemplo circuitos eléctricos con una corriente eléctrica
variable en el tiempo. En este tipo de sistemas la variación de la intensidad de la
corriente produce un flujo magnético variable, lo cual a su vez genera una fuerza
electromotriz (voltaje inducido) que afecta a su vez a la corriente eléctrica que se
opone al flujo de la corriente inicial inductora, es decir, tiene sentido contrario. En
resumen, la autoinducción es una influencia que ejerce un sistema físico sobre sí
mismo a través de campos electromagnéticos variables.
• Según la ley de Lenz, si la autoinducción ocurre por disminución de la intensidad, el
sentido de la corriente autoinducida es el mismo que el de la corriente inicial, o, si la
causa es un aumento, el sentido es contrario al de esta corriente. Se denomina
autoinducción de un circuito a la generación de corrientes inducidas en el circuito,
cuando en él se produce una variación del propio flujo. Ésta puede variar según la
intensidad de corriente.
• En 1831, M. Faraday descubrió que, cuando un imán se mueve dentro de una espiral
de alambre, en éste puede generarse una corriente eléctrica. A esta corriente se le
conoce como bobina o solenoide (no confundirla con un electroimán). En éste, el
conductor está enrollado alrededor de una barra o núcleo de hierro, para que no
haya contacto entre el imán y las espiras (alambre helicoidal). El movimiento de un
imán dentro del solenoide induce una corriente, y ésta produce un voltaje. La
magnitud de voltaje inducido depende de la cantidad de espiras (vueltas
ascendentes en torno al núcleo) del inductor.

11. • Inductancia: en electromagnetismo y electrónica, la
inductancia es una medida de la oposición a un cambio
de corriente de un inductor o bobina que almacena
energía en presencia de un campo magnético, y se
define como la relación entre el flujo magnético y la
intensidad de corriente eléctrica que circula por la
bobina y el número de vueltas (N) de el devanado.
• El signo de la tensión y de la corriente son los
siguientes: si la corriente que entra por la extremidad A
del conductor, y que va hacia la otra extremidad,
aumenta, la extremidad A es positiva con respecto a la
opuesta. Esta frase también puede escribirse al revés: si
la extremidad A es positiva, la corriente que entra por A
aumenta con el tiempo.