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Inducción electromagnética

Cuando cambia el flujo magnético que atraviesa una bobina, aparece en ella una fem: ε = −N dΦ/dt (Faraday). El signo menos es la ley de Lenz: la corriente inducida siempre se opone al cambio que la produjo. Si mueves una varilla en un campo, obtienes una fem de movimiento ε = Blv. Una corriente que cambia produce una fem en su propia bobina (autoinducción, L) y en una bobina cercana (inducción mutua, M).

🎬 Historia paso a paso

  1. Una bobina está conectada a un galvanómetro. Un imán de barra está quieto cerca. La aguja se queda en 0, porque nada cambia.
  2. Empuja el imán despacio hacia dentro de la bobina. Pasan más líneas de campo por la bobina, así que el flujo aumenta. La aguja se mueve. Cuando el imán se detiene, la aguja vuelve a 0.
  3. Empuja el mismo imán rápido. El flujo cambia en menos tiempo, así que la aguja se desvía más. Cambio más rápido significa fem mayor.
  4. Ahora saca el imán. La aguja gira hacia el otro lado. La cara de la bobina se vuelve un polo S e intenta retener al imán. Esta es la ley de Lenz.
  5. Pon una segunda bobina en lugar del imán y enciéndela. Su corriente crece, su flujo crece y nuestra aguja da un golpe. Esto es la inducción mutua.
  6. Juego libre: desliza el imán, cambia el número de espiras y pulsa el interruptor. Observa cómo brilla el flujo y mira el número de la fem.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

¿Por qué no hay corriente cuando el imán está dentro de la bobina pero no se mueve?

La fem necesita un cambio de flujo. Un imán quieto da un flujo constante, así que dΦ/dt = 0 y ε = 0.

¿Funciona también mover la bobina en lugar del imán?

Sí. Solo importa el movimiento relativo; de las dos formas cambia el flujo a través de la bobina.

¿Por qué un empujón más rápido da una desviación mayor?

El mismo cambio de flujo ocurre en menos tiempo, así que dΦ/dt y la fem son mayores.

¿Por qué la aguja gira al otro lado cuando el imán sale?

Ahora el flujo baja en lugar de subir. La corriente inducida se invierte para intentar mantener el flujo alto.

¿Cómo puede una bobina sin imán producir corriente en otra bobina?

Una corriente crea su propio campo magnético. Cuando esa corriente cambia, su flujo a través de la segunda bobina cambia, y eso induce una fem (inducción mutua).

¿Por qué más espiras dan más fem?

Cada espira recibe la misma fem y las espiras están en serie, así que las fem se suman: ε = N dΦ/dt.

Flujo magnético: contar las líneas de campo que atraviesan una espira

El flujo magnético (Φ) indica cuánto campo magnético atraviesa una superficie. Piensa en él como el número de líneas de campo que pasan por una espira.

Φ = B A cos θ. Aquí B es el campo, A es el área de la espira y θ es el ángulo entre B y la normal (la línea que sale perpendicular a la cara de la espira). Unidad del SI: weber (Wb); 1 Wb = 1 T m².

El flujo es máximo cuando la espira mira al campo (θ = 0) y es cero cuando la espira está de canto (θ = 90°).

Las leyes de inducción de Faraday

Michael Faraday y Joseph Henry descubrieron que un flujo que cambia produce una fem. Un campo constante, por fuerte que sea, no produce nada.

Primera ley

Siempre que cambia el flujo a través de un circuito, se induce una fem. Si el circuito está cerrado, circula una corriente. Esto dura solo mientras dura el cambio.

Segunda ley

El valor de la fem inducida es igual a la rapidez de cambio del flujo: |ε| = N dΦ/dt para una bobina de N espiras.

Puedes cambiar el flujo de tres maneras: cambiar B (mover un imán), cambiar A (estirar o deslizar una parte de la espira) o cambiar θ (girar la espira).

Fem inducida y corriente inducida

La fem aparece incluso en una bobina abierta. La corriente solo circula si el circuito está cerrado: I = ε / R.

La carga que circula depende solo del cambio total de flujo, no de lo rápido que sea: q = N ΔΦ / R. Un empujón lento y uno rápido mueven la misma carga; el rápido la mueve en un pulso más grande y más corto.

Fem de movimiento

Una varilla de longitud l que se desliza con rapidez v a través de un campo B (los tres perpendiculares entre sí) barre un área l v cada segundo. Por eso ε = B l v. También puedes verlo como la fuerza magnética qvB que empuja a los electrones libres hacia un extremo de la varilla.

Corrientes de Foucault

Un flujo que cambia a través de una placa metálica maciza crea pequeñas corrientes en remolino dentro de ella, llamadas corrientes de Foucault (o corrientes parásitas). Calientan el metal y se oponen al movimiento. Se usan en las cocinas de inducción y en los frenos de los trenes; en los transformadores se reducen usando láminas finas apiladas.

Ley de Lenz: hacia dónde circula la corriente

Ley de Lenz: la corriente inducida circula en el sentido que se opone al cambio de flujo que la causó. Por eso la ley de Faraday lleva un signo menos: ε = −N dΦ/dt.

Polo N del imán que entra → la cara cercana de la bobina se vuelve N (lo empuja hacia atrás). Imán que sale → la cara cercana se vuelve S (lo atrae hacia atrás).

La ley de Lenz es conservación de la energía. Tienes que hacer trabajo contra esta fuerza opuesta, y ese trabajo se convierte en energía eléctrica. Si la corriente ayudara al cambio, obtendrías energía gratis, y eso es imposible.

Para una varilla recta en movimiento, usa la regla de la mano derecha de Fleming: pulgar = movimiento, índice = campo, dedo medio = corriente inducida.

Autoinducción y autoinductancia (L)

Cuando cambia la corriente de una bobina, cambia su propio flujo, así que aparece una fem en la misma bobina. Esto es la autoinducción. Esta fem se opone al cambio de la corriente, por eso se llama fuerza contraelectromotriz.

N Φ = L I y ε = −L dI/dt. L es la autoinductancia; su unidad es el henrio (H). 1 H = 1 V s/A.

Para un solenoide largo: L = μ₀ n² A l = μ₀ N² A / l. Si pones un núcleo de hierro dentro, L se multiplica por μᵣ.

Un inductor actúa como la inercia de la corriente. Energía almacenada en su campo magnético: U = ½ L I².

Inducción mutua e inductancia mutua (M)

Cuando cambia la corriente de la bobina 1, cambia el flujo a través de una bobina 2 cercana, y aparece una fem en la bobina 2. Esto es la inducción mutua.

N₂ Φ₂ = M I₁ y ε₂ = −M dI₁/dt. Para dos solenoides largos coaxiales (radio interior r₁, longitud l): M = μ₀ n₁ n₂ π r₁² l. Además M₁₂ = M₂₁.

M es mayor cuando las bobinas están cerca, enrolladas sobre el mismo núcleo de hierro y con el mismo eje. Los transformadores y los cargadores inalámbricos usan la inducción mutua.

Pruébalo: una práctica

Pruébalo: en el 3D, pon Espiras N = 4 y arrastra el imán hacia dentro; anota el "Último golpe". Ahora pon N = 16 y arrastra a la misma velocidad. El golpe es unas 4 veces mayor, porque ε = −N dΦ/dt. En casa: un altavoz pequeño o un motor de juguete conectado a un LED puede encender el LED si haces girar el eje del motor muy rápido. Estás usando un generador.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Una espira de área 0.02 m² está en un campo de 0.5 T. Calcula el flujo cuando (a) el campo va a lo largo de la normal, (b) forma 60° con la normal.

(a) Φ = BA cos 0 = 0.5 × 0.02 × 1 = 0.01 Wb. (b) Φ = 0.5 × 0.02 × cos 60° = 0.01 × 0.5 = 0.005 Wb.

2. El flujo a través de una bobina de 200 espiras baja de 4 mWb a 1 mWb en 0.1 s. Calcula la fem inducida media.

ΔΦ = 1 − 4 = −3 mWb = −3 × 10⁻³ Wb. ε = −N ΔΦ/Δt = −200 × (−3 × 10⁻³)/0.1 = 6 V.

3. Una varilla de 0.5 m se mueve a 4 m/s perpendicular a un campo de 0.3 T. La varilla forma parte de un circuito de resistencia 2 Ω. Calcula la fem y la corriente.

ε = B l v = 0.3 × 0.5 × 4 = 0.6 V. I = ε / R = 0.6 / 2 = 0.3 A.

4. La corriente en una bobina de L = 50 mH baja de 5 A a 0 en 10 ms. Calcula la fem autoinducida.

ε = −L dI/dt = −0.05 × (0 − 5)/0.01 = +25 V. La fem intenta mantener la corriente circulando (se opone a la bajada).

5. Calcula L de un solenoide con núcleo de aire de 500 espiras, longitud 0.5 m y área 4 × 10⁻⁴ m². (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)

L = μ₀ N² A / l = 4π × 10⁻⁷ × 250000 × 4 × 10⁻⁴ / 0.5 = 4π × 10⁻⁷ × 200 ≈ 2.51 × 10⁻⁴ H ≈ 0.25 mH.

6. Dos bobinas tienen M = 1.5 H. La corriente de la primera sube de 0 a 20 A en 0.5 s. Calcula la fem en la segunda bobina y el cambio de flujo a través de ella.

ε₂ = M dI₁/dt = 1.5 × 20 / 0.5 = 60 V. Cambio del flujo concatenado = M ΔI₁ = 1.5 × 20 = 30 Wb (espiras).

7. Una varilla metálica de 1 m gira a 20 rad/s alrededor de un extremo en un campo de 0.2 T paralelo a su eje de giro. Calcula la fem entre sus extremos.

ε = ½ B ω l² = 0.5 × 0.2 × 20 × 1² = 2 V.

8. A una bobina de 100 espiras y resistencia 5 Ω se le cambia el flujo en 2 × 10⁻³ Wb. ¿Qué carga circula?

q = N ΔΦ / R = 100 × 2 × 10⁻³ / 5 = 0.04 C. No depende de lo rápido que ocurra el cambio.

Errores comunes

Test de práctica

1. La unidad del SI del flujo magnético es:
2. La fem inducida en una bobina depende de:
3. La ley de Lenz se deduce de la conservación de:
4. Una varilla de longitud l se mueve con rapidez v perpendicular al campo B. La fem es:
5. La unidad henrio es igual a:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la inducción electromagnética en palabras sencillas?

Es producir electricidad con un campo magnético que cambia. Si el campo magnético a través de una bobina cambia, aparece un voltaje en la bobina.

¿Cuál es la diferencia entre autoinducción e inducción mutua?

En la autoinducción, la corriente que cambia produce una fem en la misma bobina. En la inducción mutua, la produce en una bobina cercana.

¿Por qué hay un signo menos en la ley de Faraday?

El signo menos es la ley de Lenz. Muestra que la fem inducida se opone al cambio de flujo.

Dónde se estudia

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