¿Qué es la ley de Faraday?

¿Qué es la inducción electromagnética?

La inducción electromagnética es el proceso por el cual se puede inducir una corriente por medio de un cambio en el campo magnético.

Las cargas en movimiento experimentan fuerzas cuando están dentro de un campo magnético. La fuerza que experimenta un alambre por el que pasa corriente debida a los electrones en movimiento cuando está en la presencia de un campo magnético es un ejemplo clásico. Este proceso también funciona al revés. Tanto mover un alambre a través de un campo magnético o (de manera equivalente) cambiar la magnitud del campo magnético con el tiempo puede causar que fluya una corriente.

¿Cómo describimos este fenómeno?

Hay dos leyes fundamentales que describen la inducción electromagnética:

1. La ley de Faraday, descubierta por el físico del siglo XIX Michael Faraday. Relaciona la razón de cambio de flujo magnético que pasa a través de una espira (o lazo) con la magnitud de la fuerza electromotriz ε inducida en la espira. La relación es

ε=dФ/dt​

La fuerza electromotriz, o FEM, se refiere a la diferencia de potencial a través de la espira descargada (es decir, cuando la resistencia en el circuito es alta). En la práctica es a menudo suficiente pensar la FEM como un voltaje, pues tanto el voltaje y como la FEM se miden con la misma unidad, el volt. 

2. La ley de Lenz es una consecuencia del principio de conservación de la energía aplicado a la inducción electromagnética. Fue formulada por Heinrich Lenz en 1833. Mientras que la ley de Faraday nos dice la magnitud de la FEM producida, la ley de Lenz nos dice en qué dirección fluye la corriente, y establece que la dirección siempre es tal que se opone al cambio de flujo que la produce. Esto significa que cada campo magnético generado por una corriente inducida va en la dirección opuesta al cambio en el campo original.

Típicamente incorporamos la ley de Lenz a la ley de Faraday con un signo menos, que nos permite utilizar el mismo sistema de coordenadas para el flujo y la FEM. A veces nos referimos al resultado como la ley de Faraday-Lenz,

ε=-dФ/dt​

En la práctica, frecuentemente lidiamos con la inducción magnética en espiras múltiples de alambre, donde cada una contribuye con la misma FEM. Por esta razón, incluimos un término adicional N para representar el número de vueltas, es decir,  

ε=-NdФ/dt​  

¿Cuál es la conexión entre la ley de inducción de Faraday y la fuerza magnética?   Mientras que el fundamento teórico de la ley de Faraday es bastante complejo, una comprensión conceptual de la conexión directa con la fuerza magnética sobre una partícula cargada es relativamente sencilla.

Figura 1: carga en un alambre en movimiento.

Considera un electrón que es libre de moverse dentro de un alambre. Colocamos el alambre en un campo magnético vertical y lo movemos en la dirección perpendicular al campo

con una velocidad constante, como se muestra en la Figura 1. Ambos extremos del alambre están conectados, formando una espira o lazo. Esto garantiza que cualquier trabajo realizado para crear una corriente en el alambre se disipa en forma de calor en la resistencia del mismo.

Supongamos que una persona jala el alambre con una velocidad constante a través del campo magnético. Conforme lo hace, debe aplicar una fuerza. El campo magnético constante no puede realizar trabajo por sí mismo (de otro modo, su magnitud cambiaría), pero puede cambiar la dirección de una fuerza. En este caso, parte de la fuerza que aplica la persona es redirigida, causando una fuerza electromotriz sobre el electrón que viaja en el alambre, lo que establece una corriente. Algo del trabajo que la persona realiza al jalar el alambre resulta en energía que se disipa en forma de calor dentro de la resistencia del alambre.

El experimento de Faraday: inducción por un imán que pasa a través de una bobina

El experimento fundamental que llevó a Michael Faraday a establecer su ley fue bastante sencillo, y podemos replicarlo fácilmente con poco más que materiales caseros. Faraday utilizó un tubo de cartón con alambre aislado enrollado a su alrededor para formar una bobina. Conectó un voltímetro a través de la bobina y registró la FEM inducida conforme pasaba un imán a través de la bobina. El dispositivo se muestra en la figura 2.

Figura 2: el experimento de Faraday: un imán pasa a través de una bobina.

Las observaciones fueron las siguientes:

1. El imán en reposo dentro o cerca de la bobina: no se observó voltaje.
2. El imán entrando en la bobina: se registró algo de voltaje, que alcanzó su magnitud más alta cuando el imán se estaba acercando al centro de la bobina.
3. El imán pasando por el centro de la bobina: se registró un cambio súbito de signo en el voltaje.
4. El imán saliendo de la bobina: se registró un voltaje opuesto en la dirección inversa a la del imán moviéndose hacia la bobina.

Un ejemplo de la gráfica de la FEM registrada contra la posición del imán se muestra en la Figura 3.

Estas observaciones son consistentes con la ley de Faraday. Aunque el imán en reposo puede producir un gran campo magnético, no induce ninguna FEM, pues el flujo a través de la bobina no cambia. Cuando el imán se acerca a la bobina, el flujo se incrementa rápidamente hasta que el imán se encuentra dentro de esta. Conforme la atraviesa, el flujo magnético comienza a decrecer. Consecuentemente, la FEM inducida se revierte.

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