10.1: Introducción a la Inducción Electromagnética

En 1820, Oersted había demostrado que una corriente eléctrica genera un campo magnético. Pero, ¿puede un campo magnético generar una corriente eléctrica? Esto fue respondido de manera casi simultánea e independiente en 1831 por Joseph Henry en Estados Unidos y Michael Faraday en Gran Bretaña. Faraday construyó un anillo de hierro, de aproximadamente seis pulgadas de diámetro. Enrolló dos bobinas de alambre firmemente alrededor del anillo; una bobina alrededor de la mitad (semicírculo) del anillo, y la segunda bobina alrededor de la segunda mitad del anillo. Las dos bobinas no estaban conectadas entre sí que compartiendo el mismo núcleo de hierro. Una bobina (a la que me referiré como la bobina “primaria”) estaba conectada a una batería; la otra bobina (a la que me referiré como la bobina “secundaria”) estaba conectada a un galvanómetro. Cuando la batería estaba conectada a la bobina primaria una corriente, por supuesto, fluía a través de la bobina primaria. Esta corriente generó un campo magnético en todo el núcleo de hierro, por lo que hubo un campo magnético dentro de cada una de las dos bobinas. Mientras la corriente en la bobina primaria permaneciera constante, no hubo corriente en la bobina secundaria. Lo que Faraday observó fue que en el instante en que la batería estaba conectada a la primaria, y durante ese breve momento en que la corriente en la primaria subía de cero, una corriente fluía momentáneamente en la secundaria —pero sólo mientras la corriente en la primaria estaba cambiando. Cuando se desconectó la batería, y durante el breve momento en que la corriente primaria caía a cero, nuevamente fluyó una corriente en el secundario (pero en dirección opuesta a la anterior). Por supuesto, mientras la corriente primaria estaba cambiando, el campo magnético en el núcleo de hierro estaba cambiando, y Faraday reconoció que se generaba una corriente en el secundario mientras el flujo magnético a través de él estaba cambiando. La fuerza de la corriente dependía de la resistencia de la secundaria, por lo que quizás sea más fundamental señalar que cuando cambia el flujo magnético a través de un circuito, se genera una fuerza electromotriz (EMF) en el circuito, y cuanto más rápido cambia el flujo, mayor es el EMF inducido. Las mediciones cuantitativas han establecido desde hace tiempo que:

Mientras el flujo magnético a través de un circuito está cambiando, se genera un EMF en el circuito que es igual a la tasa de cambio del flujo magnético\(\dot \Phi_B\) a través del circuito.

Esto generalmente se llama "Ley de Faraday de Inducción Electromagnética”. Una declaración completa de las leyes de la inducción electromagnética también debe decirnos la dirección de los CEM inducidos, y esto generalmente se da en una segunda declaración generalmente conocida como “Ley de Inducción Electromagnética de Lenz”, que describiremos en la Sección 10.2. Cuando se le pide, por tanto, las leyes de la inducción electromagnética, se deben dar ambas leyes: la de Faraday, que trata de la magnitud de la CEM, y la de Lenz, que trata de su dirección.

Observará que la declaración de la Ley de Faraday dada anteriormente, dice que el EMF inducido no es meramente “proporcional” a la tasa de cambio del flujo B magnético, sino que es igual a ella. Por lo tanto, querrá referirse a las dimensiones de fuerza electromotriz (unidad SI: voltios) y de\(B\) -flujo (unidad SI: weber) y verificar que de hecho\(\dot \Phi_B\) sea dimensionalmente similar a EMF. Esto por sí solo no te dice la constante de proporcionalidad entre los CEM inducidos y\(\dot \Phi_B\), aunque la constante es de hecho la unidad, como se afirma en la ley de Faraday. Entonces puedes preguntar: ¿Es este valor de 1 para la constante de proporcionalidad entre la EMF y\(\dot \Phi_B\) un valor experimental (y, de ser así, qué tan cerca de 1 está, y cuál es su mejor valor determinado actualmente), o se espera teóricamente que sea exactamente 1? Bueno, supongo que hay que admitir que la física es una ciencia experimental, por lo que desde ese punto de vista la constante tiene que determinarse experimentalmente. Pero voy a adelantar un argumento en breve para demostrar no sólo que usted esperaría que fuera exactamente 1, sino que el fenómeno mismo de la inducción electromagnética sólo es de esperar de lo que ya sabíamos (antes de embarcarse en este capítulo) sobre electricidad y magnetismo.

Por cierto, recordamos que la unidad SI para\(\Phi_B\) es la weber (\(\text{Wb}\)). Para algunos, esta no es una unidad muy familiar y algunos por lo tanto prefieren expresarse\(\Phi_B\) en\(\text{T m}^2\). Una vez más, la consideración de la ley de Faraday nos dice que una unidad SI perfectamente legítima (que muchos prefieren)\(\Phi_B\) es para\(\text{V s}\).