Inducción electromagnética
La inducción electromagnética se produce cuando cambia el flujo magnético a través de un circuito. Un campo magnético puede ser intenso y, aun así, no generar ninguna fem inducida si el flujo relevante permanece constante.
Flujo magnético: la magnitud que debe cambiar
Φ = BA cos θ para un campo uniforme que atraviesa una espira plana.
El flujo puede cambiar porque cambie B, cambie el área de la espira, gire la espira o esta se desplace hacia una región donde el campo sea diferente.
Ley de Faraday
fem = −N dΦ/dt
El valor absoluto aumenta con el número de espiras y con la rapidez de variación del flujo. El signo menos codifica el sentido descrito por la ley de Lenz.
Explorador de cambio de flujo
Para una bobina cuyo flujo uniforme cambia de Φ₁ a Φ₂, |fem| = N|ΔΦ|/Δt.
Ley de Lenz y conservación de la energía
La corriente inducida crea un efecto magnético que se opone al cambio de flujo, no necesariamente al campo magnético original. Si el flujo aumenta en una dirección, el campo inducido se orienta contra ese aumento; si el flujo disminuye, el campo inducido tiende a mantenerlo.
Esta oposición explica por qué hace falta realizar trabajo mecánico al introducir un imán en una bobina conductora por la que circula corriente inducida.
La fem de movimiento es la misma física
Una varilla conductora que se mueve a través de un campo magnético puede separar cargas porque las cargas en movimiento experimentan fuerza magnética. Para una varilla de longitud L que se desplaza perpendicularmente a un B uniforme con velocidad v, el valor ideal es fem = BLv.
La ley de Faraday y la fem de movimiento son descripciones coherentes de la inducción: lo importante es el cambio del flujo magnético enlazado por el circuito.
Un procedimiento fiable para la inducción
Empieza definiendo la espira y la normal a su superficie. Después determina la dirección del flujo externo y pregunta si ese flujo con signo aumenta o disminuye. Solo entonces utiliza la ley de Lenz para elegir la dirección del campo inducido y el sentido correspondiente de la corriente.
Un error frecuente es oponerse al propio campo externo. La ley de Lenz se opone al cambio: si un flujo hacia arriba disminuye, el campo inducido apunta hacia arriba para resistir esa disminución. Otro error es usar Φ = BA sin comprobar la orientación; el factor cos θ importa siempre que el campo no sea paralelo a la normal de la superficie.
Ejemplos resueltos
1. Flujo a través de una espira
Una espira de 0,020 m² es perpendicular a un campo uniforme de 0,30 T. Calcula el flujo magnético.
Solución
La normal a la superficie es paralela a B, por lo que θ = 0 y Φ = BA = 0,30 × 0,020 = 6,0 × 10⁻³ Wb.
2. Valor de la fem según Faraday
Una bobina de 200 espiras experimenta un cambio de flujo por espira de 3,0 mWb en 0,050 s. Calcula el valor medio de la fem inducida.
Solución
|fem| = N|ΔΦ|/Δt = 200(3,0 × 10⁻³)/0,050 = 12 V.
3. Sentido según Lenz
Un polo norte se aproxima a una bobina a lo largo de su eje. ¿Como qué polo magnético debe comportarse la cara próxima de la bobina?
Solución
El polo norte que se acerca aumenta el flujo en su dirección. El campo inducido debe oponerse a ese aumento, por lo que la cara próxima se comporta como un polo norte y repele al imán que se aproxima.