Definición de Ley de Faraday
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
La ley de inducción electromagnética de Faraday fue propuesta en el año de 1831 por el científico de origen inglés Michael Faraday, quien a partir de esta formulación, estableció una relación de un campo magnético que varía en función del tiempo, y un campo eléctrico que se induce como consecuencia de dichos cambios. Mediante esta ley, es posible obtener la fuerza electromotriz (fem) como resultado de la interacción de un campo magnético en un circuito eléctrico. Su enunciado plantea que la fuerza electromotriz que se induce en un conductor, se debe a su interacción con un campo magnético variable en el tiempo, y si el conductor forma un lazo cerrado, se produce una corriente inducida.
La fuerza electromotriz (fem), se suele denominar también tensión, ya que equivale a la diferencia de potencial a través de una espira descargada, siendo sus unidades las mismas que para el voltaje (Voltios).
\(fem\left( {ε} \right) = \frac{{dΦ}}{{dt}}\)
Donde:
\(ε\): fuerza electromotriz inducida
\(\frac{{dΦ}}{{dt}}\): razón de cambio del flujo magnético respecto al tiempo.
La ley de inducción de Faraday ha significado una importante contribución en el campo de la Física, ya que es la base para generación de energía eléctrica, y además, sentó los fundamentos para la formulación de la ley de Lenz en 1834, (que aplica el principio de conservación de la energía a la inducción electromagnética,). La ley de Lenz introduce por tanto, un signo negativo a la ley de Faraday, para expresar que la fem obtenida a partir de un flujo magnético variable en el tiempo, produce una corriente en dirección opuesta al cambio del flujo que la originó:
\(fem\left( {ε} \right) = – \frac{{dΦ}}{{dt}}\)
Ahora bien, esta fuerza electromotriz, al aplicarse en una bobina (múltiples espiras de alambre), representa el producto de la razón de cambio temporal del flujo magnético por el número de vueltas en la bobina:
\(fem\left( {ε} \right) = – N\frac{{dΦ}}{{dt}}\)
Donde N, es el coeficiente adicional que se introduce en la ley de Lenz para establecer la relación con el número de vueltas de la bobina.
Los hallazgos de Faraday y la formulación de su ley de inducción, presentó el vínculo entre los campos eléctricos y magnéticos, por lo que constituyó un elemento clave en los enunciados de las leyes de Maxwell.
Experimento de inducción de Faraday
M. Faraday llegó a la formulación de la ley de inducción electromagnética, a partir de un sencillo experimento el cual consistió en un alambre aislado enrollado alrededor un tubo de cartón que representaría la bobina. Luego, hizo para un imán a través del interior de la bobina para ir registrando con un galvanómetro la fem inducida por el campo magnético del imán, a medida que este atravesaba la espira, es decir, el movimiento del imán generaba un campo magnético variable en el tiempo, y éste a su vez producía una tensión, o fem inducida que se mide con un voltímetro (o galvanómetro).
El campo magnético representado por el imán, es equivalente al que se puede producir con otra bobina conectada a una fuente de corriente.
En este experimento se identificaron varios hallazgos:
• A medida que el imán entraba aproximándose al centro de la bobina, el voltaje registrado se incrementaba.
• Cuando el imán se encontraba en reposo (v = 0) dentro de la bobina no se registraba voltaje, aunque el imán sí se produce un campo magnético.
• En la región donde el imán pasaba justo por el centro de la bobina, se registraba un cambio inmediato en el signo del voltaje.
• Cuando el imán estaba saliendo de la bobina se registró un voltaje contrario al que se obtenía cuando el imán entraba a la bobina.
La representación gráfica de este fenómeno se muestra en la siguiente imagen:
Esta gráfica muestra la variación de la fuerza electromotriz inducida por el movimiento del imán a lo largo del interior de la bobina.
Ejemplos de aplicación de la ley de inducción de Faraday
Desde la publicación de la ley de Faraday, hasta la actualidad, son múltiples los usos que se derivan de ella, entre las que se destacan:
• Motores de corriente continua: en su configuración básica, este dispositivo consta de un disco de cobre que giraba entre los extremos de imán para producir corriente directa. Su función principal es transformar la energía eléctrica en energía mecánica.
Cuando se hace circular una corriente eléctrica dentro de un campo magnético, el efecto de las fuerzas magnéticas hace girar la espira.
• Generadores: estos dispositivos tienen la función opuesta de un motor eléctrico, es decir, transforman la energía de movimiento en energía eléctrica a partir del fenómeno de inducción electromagnética.
En la imagen se muestran los restos de una máquina generadora utilizada para producir electricidad.
• Transformador: se trata de un dispositivo estático constituido (en su forma más básica) por un par de bobinas enrolladas alrededor de un núcleo, el cual contiene una bobina primaria de un lado, y del otro una bobina secundaria. Generalmente se emplean para transformar un voltaje de corriente alterna en otro voltaje de corriente alterna a la misma frecuencia.
Los transformadores eléctricos son unos de los componentes principales de las subestaciones eléctricas y los sistemas encargados de la generación, transporte y distribución de electricidad.
Otras aplicaciones a destacar son las cocinas de inducción, los timbres y las luces de bicicleta.
Art. actualizado: Nov. 2022; sobre el original de noviembre, 2018.
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