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-     Escrito por marimar

Ley de Faraday | Inducción Electromagnética

Michael Faraday fue un físico y químico británico del siglo XVIII, profundizó en el estudio de los campos magnéticos, sus obsesión por conseguir generar electricidad, sus descubrimientos más importantes fueron el diamagnetismo, la electrólisis y la inducción electromagnética, que es el tema que hoy nos ocupa. Quizás la ley más conocida que enunció Faraday, en la que demostraba que el voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad con la que cambia el flujo magnético, que atraviesa una superficie con el circuito como borde.

Ley de Faraday | Inducción electromagnética Faraday_generador disco

¿Quién fue Faraday?

Michael Faraday (1791-1867) fue un brillante físico y químico del Reino Unido, cuyos principales aportes a la ciencia fueron la inducción electromagnética o la electrólisis.

Adquirió su gusto por leer y por las investigaciones a los 14 años, cuando trabajó de encuadernador de libros en Londres. Fue en esa época cuando Faraday adquirió gran entusiasmo con todo lo que tuviera que ver con fenómenos eléctricos.

michael faraday

En 1831, Faraday comenzó a profundizar en las propiedades electromagnéticas de los distintos materiales, comenzando una gran serie de pruebas y experimentos que le llevaría a descubrir la inducción electromagnética.

Este descubrimiento surgió surgió cuando enrolló en un arco de hierro, dos bobinas de alambre, llegando a la conclusión de que cuando aplicaba una corriente a una de las bobinas, la otra bobina que no había recibido corriente, también se cargaba de electricidad, otra serie de descubrimientos, que veremos más adelante, le llevaron a la conclusión de que se podía generar un campo eléctrico, a partir de un campo magnético variable. 

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Las aplicaciones e importancia que han tenido los descubrimientos de Faraday en numerosos campos de la actualidad le han convertido en uno de los científicos más importantes de la historia, hasta el punto de que Albert Einstein tenía un retrato suyo de cabecera, junto con el de Isaac Newton.

Ley de Faraday | Antecedentes, Campos Magnéticos

Para poder conocer mejor que importancia tuvo la Ley de Inducción Electromagnética, tenemos que situarnos en cuanto al tiempo y los conocimientos que se tenían en el relación a los campos magnéticos y la electricidad.

Ya se conocía la relación existente entre la electricidad y el magnetismo, descubrimiento del físico Hans Christian Øersted. Este experimento consiste en acercar a un imán una aguja imantada, como todos los imanes tienen dos polos, uno positivo y otro negativo, la punta siempre indica el norte, luego el otro extremo indica el sur, da igual el tamaño que tenga nuestra aguja, aunque la cortemos en trozos, siempre la punta indicará el norte y el otro extremo el sur.

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Si colocamos un imán, y esparcimos limaduras de hierro por encima, veremos el dibujo que crea, cada polo del imán captará las limaduras de hierro que se encuentren bajo su influencia, y es precisamente a eso a lo que llamamos campos magnéticos.

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Alrededor de un imán se manifiesta un campo magnético, cuya naturaleza íntima está estrechamente relacionada con la naturaleza del campo eléctrico

¿Qué ocurriría si se nos ocurriese conectar un imán a una fuente de electricidad?, el resultado lo descubrió el físico danés Hans Christian Øersted. Éste observó que una corriente eléctrica, ejerce una fuerza sobre un imán.

Los electrones en movimiento, a través de un hilo conductor, crea un campo magnético, esto es lo que se conoce como electromagnetismo, si enrollamos el hilo, el efecto magnético se concentrará, al fluir los electrones por la bobina generando un fuerza magnética capaz de atraer objetos pequeños de hierro o acero.

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Electroimán casero

Si insertamos dentro de la bobina un trozo de hierro puro, se observará como se concentra aún más el efecto magnético, obteniendo un “potente” electroimán.

Ley de Faraday | Inducción Electromagnética

Así es que la Ley de Faradayinducción electromagnética, enuncia que el voltaje inducido en un circuito cerrado resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una dada superficie con el circuito haciendo de borde.

Es decir, la fuerza electromagnética inducida en cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la velocidad del tiempo del flujo magnético encerrado por el circuito.

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La aguja del amperímetro no detecta electricidad, hasta que se saca de la bobina el imán

Podemos entenderlo con un ejemplo muy sencillo, si utilizamos un cable conductor, por ejemplo de cobre, lo enrollamos en tres vueltas y lo conectamos a un amperímetro con el fin de medir la corriente eléctrica que se va a generar. Cogemos un imán y lo metemos y sacamos rápidamente por el interior de la bobina, el amperímetro marcará una fluctuación de corriente, cada vez que sacamos el imán del interior de la bobina. Para que exista electricidad tiene que existir una variación en los campos magnéticos.

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Si este experimento lo realizamos con una bobina compuesta por muchas más vueltas de hilo conductor, y repetimos esta experiencia, sacando y metiendo el imán entre las espiras rápidamente, veremos como el amperímetro, marca una intensidad eléctrica mayor. Ya que al tener mayor número de espiras, generará mayor corriente eléctrica. 

Si dejamos el imán en resposo, veremos que no se genera ningún tipo de corriente eléctrica, esto se debe al principio fundamental de que para que haya corriente debe existir variación de campos magnéticos es decir, el imán entra en la bobina con una carga magnética, distinta a la que tiene la bobina, por lo que el movimiento de los átomos genera la intensidad que podemos medir con el amperímetro.

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El amperímetro no detecta ningún tipo de carga eléctrica, estando el imán en reposo dentro del cilindro.

Cuando introducimos un imán en una bobina, la corriente circula en un sentido, cuando lo sacamos esta corriente circulará en sentido contrario. Por lo que se puede llegar a la conclusión de que la intensidad de la corriente eléctrica que se induce en una bobina es directamente proporcional al número de espiras y a la intensidad del campo magnético que interacciona con estas espiras.

Cuanta más potencia tenga el imán que utilicemos mayor intensidad genera en su campo magnético. Faraday repitió este mismo experimento pero en vez de con un imán, lo hizo con un electroimán, que puede ser un tornillo envuelto en en una espiral de hilo conductor.

Electro Imán

Electroimán

Este electro imán lo introducimos en una bobina compuesta de muchas espirales y le aplicamos una carga eléctrica por medio de una pila, podemos observar que la generación de electricidad es mucho mayor, por lo que la intensidad de la corriente que genera en campo magnético en el electroimán, cuanto mayor sea, mayor campo magnético tendremos y mayor corriente tendremos inducida en nuestra bobina.

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Este es el principio de funcionamiento de un transformador y el motivo por el que funciona con corriente alterna, ya que como hemos comprendido sólo se genera intensidad de corriente cuando existen variaciones en los campos magnéticos. 

La Ley de Faraday predice cómo interaccionarán los campos magnéticos con los circuitos eléctricos para producir fuerzas electromagnéticas, o inducción electromagnética. Un principio fundamental operando en los transformadores, inductores y otros motores eléctricos o generadores.

Ley de Faraday – Inducción Electromagnética | Aplicaciones

En el caso que nos ocupa, provocamos variaciones en el flujo magnético que provoca una fuerza electromotriz, manteniendo una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto. Con esto, podemos provocar una corriente eléctrica.

experimento inducción

Matemáticamente se expresa como indicamos en la ecuación de arriba. Gracias al trabajo de Michael Faraday se desarrollaron la mayor parte de las máquinas, hasta algo tan cotidiano como una vitrocerámica de inducción. Como vemos, la variabilidad del campo magnético está dado por la derivada (si el campo es constante, la derivada es cero y no se provoca fuerza electromotriz alguna).

Las placas de Inducción, están basadas en la Ley de Faraday

Las placas de Inducción, están basadas en la Ley de Faraday

Otra aplicación importante es la creación de motores eléctricos, que transforman la energía eléctrica en mecánica, diferenciándose así de los motores químicos, que transforman el poder calorífico del combustible en energía mecánica. Además, los motores eléctricos tienen mayor rendimiento.

Faraday Otros Descubrimientos y sus Aplicaciones

Michael Faraday es principalmente conocido por su teoría de la inducción electromagnética, pero realizó otros descubrimientos con importantes aplicaciones prácticas en la actualidad, por ejemplo la electrólisis.

La electrolisis con aplicaciones terapúticas

La electrolisis con aplicaciones terapúticas

Faraday – Otros Descubrimientos | La Electrolisis

La electrólisis fue en realidad descubierta por William Nicholson en el año 1800, pero fue Michael Faraday quien perfeccionó sus teorías y las puso en común, elaborando la Ley de la Electrólisis de Faraday.

electrolisis faraday
Se podría definir la electrólisis como un proceso que separa los diferentes elementos de un compuesto gracias a la electricidad. Para ello, se sumergen en el compuesto dos electrodos con carga opuesta: a uno se le conoce como ánodo y al otro como cátodo. Cada uno de estos electrodos atrae a los iones de carga opuesta. Para aumentar la concentración y separar los iones de los electrodos se utiliza la energía proporcionada por la corriente eléctrica.

Sistemas de electrólisis salina para piscinas

Sistemas de electrólisis salina para piscinas

La electrólisis del agua no destilada es hoy en día un proceso muy utilizado en diversos ámbitos, por ejemplos para la cloración de piscinas. Cada vez más piscinas utilizan sal, la cual se transforma en cloro mediante la electrólisis.

Para la ionización del agua que bebemos, para tratamientos terapeúticos, distintos sistmas de depilación también utilizan la electrólisis, ect.

Faraday – Otros Descubrimientos | La Jaula de Faraday

El experimento conocido como jaula de Faraday es el más popular que se asocia a este inventor. La jaula de Faraday es, en esencia, una caja metálica que aísla y protege a cualquier cosa que esté en su interior de las descargas eléctricas y los campos eléctricos estáticos, dado que en su interior el campo eléctrico es nulo. Este experimento está muy vinculado a las investigaciones de Faraday en el campo electromagnético que hemos mencionado con anterioridad, dado que se estudia el efecto por el cual se vuelve nulo el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio.

Jaula de FaradayEsto se produce a causa de la polarización, un proceso por el cual aparecen dos ámbitos mutuamente cargados. Esto significa que, cuando el conductor elegido se encuentra vinculado a un campo electromagnético externo, se produce una carga positiva en un extremo y una negativa en el otro, por lo que se anulan en el punto en el que entran en contacto, formando una suerte de vacío protegido en dicho punto.

Aplicando dicho razonamiento, Faraday hizo un experimento en 1836 que todavía tiene muchas aplicaciones en el día de hoy, pues sus principios se utilizan mucho en el ámbito aeroespacial o a la hora de proteger diversos tipos de aparatos eléctricos en lugares donde existen muchos cambios en el ámbito electromagnético a causa de diversos fenómenos meteorológicos, como pueden ser las tormentas, por ejemplo.

Jaula de Faraday

Jaula de Faraday

El proceso tiene el siguiente desarrollo. Una caja metálica se introduce dentro de un campo eléctrico ajeno a ella. En ese momento, los protones (cargas positivas) se colocan en posición de red, mientras que los electrones, que son cargas fundamentalmente negativas, se mueven en sentido contrario.

Eso hace que uno de los sectores de la caja solo tenga una carga negativa, mientras que el otro lado la tiene positiva. Ambas se anulan, por lo que el centro de la caja acaba teniendo una carga nula, manteniéndose protegido en su interior cualquier objeto eléctrico, que no se verá afectado por ninguna de las dos cargas que pugnan inútilmente por el dominio.

Gracias a Faraday los aviones no caen por culpa de los rayos

Gracias a Faraday los aviones no caen por culpa de los rayos

Sin embargo, la jaula solo protege al objeto que hay en su interior de la influencia del campo eléctrico externo, pues se ha constatado que otros tipos de influencias electromagnéticas, como la electricidad estática o la propia influencia magnética de la Tierra, por citar dos ejemplos muy característicos, siguen funcionando en el interior de la jaula de Faraday. Sin embargo, pese a estas excepciones, la jaula de Faraday protege y aísla prácticamente por completo a los objetos que se encuentran en su interior.

Jaula de Faraday aluminio
La jaula de Faraday tiene muchas aplicaciones prácticas, como ya hemos indicado en las líneas anteriores. Sin embargo, para terminar con este apartado, vamos a finalizar presentando algunas de las más curiosas. Por ejemplo, en el año 2013 se utilizaron los principios de la Jaula de Faraday para aislar la Capilla Sixtina durante la celebración del cónclave en el que se eligió al actual papa Francisco I, de forma que se pudiera evitar cualquier injerencia exterior o la utilización de cualquier aparato electrónico que pudiera acabar con el secretismo que rodeaba a este proceso.

Cogemos dos teléfonos móviles, comprobaremos que ambos funcionen correctamente. A continuación envolvemos uno de los teléfonos en papel de aluminio, y realizamos una llamada desde el otro teléfono, a este que están envuelto, el resultado es que el teléfono envuelto no funciona, no emite ningún tipo de señal dando la sensación de estar apagado. Este es otro ejemplo de la utilización de la Jaula de Faraday, utilizando materiales actuales y tecnología de hoy en día.

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Asimismo, la jaula de Faraday se encuentra presente en muchas actuaciones tanto de ladrones como de los equipos de seguridad que actúan contra ellos. Esto ocurre porque sus principios son utilizados por las personas que roban objetos electrónicos en las tiendas para evitar ser descubiertos, dado que una bolsa recubierta con papel de aluminio actúa como una suerte de jaula de Faraday, aislando al producto que se encuentra en su interior y evitando así que dispare las alarmas de seguridad.

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Esta es la razón por la que los expertos en seguridad están estudiando cuidadosamente este proceso con el objetivo de crear nuevos sistemas que logren hacer saltar las alarmas cuando se aplique este principio con fines ilícitos.

Sin embargo, sus principios también tienen usos más cotidianos. Probablemente habrás mirado millones de veces a través del cristal de tu microondas, sin darte cuenta de que este funciona básicamente como una jaula de Faraday que contiene la energía electromagnética y que evita que tenga algún tipo de influencia en el exterior. Los principios vinculados a la jaula de Faraday están muy presentes en la vida cotidiana moderna y muchas de las cosas de las que disfrutamos con asiduidad actualmente serían imposibles sin este increíble invento.

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