La inducción electromagnética

12/01/2009

La vida moderna  esta basada, entre otros factores,  en el uso de la electricidad como fuente de energía, siendo, por tanto, uno de los  pilares de nuestra  sociedad de la información y el conocimiento caracterizada por la implantación del transistor, televisión, ordenadores, Internet etc.

 

La fuente principal de producción de electricidad, al menos a escala industrial, esta basada en la inducción electromagnética descubierta experimentalmente por Michael Faraday en 1831, y por consiguiente, nunca un experimento como este cambio nuestra visión del mundo, nuestra manera de vivir.

 

Conviene recordar que uno de los primeros trabajos de investigación relacionados con la corriente eléctrica fue llevado a cabo por Galvani (1737 – 1798) quien en 1791 publicó que cuando un metal se pone en contacto con  las patas de una rana se produce una contracción muscular que Galvani interpretó erróneamente como electricidad animal. Galvani propuso que el cerebro de los animales producía electricidad que se transfería a los nervios y tras ser acumulada en los músculos llegaba a producir el movimiento de los miembros, como el mismo observó ocurría en la  pata de la rana.

 

Fue Alejandro Volta (1745 – 1827) quien puso de manifiesto que en el experimento de Galvani la pata de la rana actuaba como un mero detector de electricidad y que, en realidad, esta  era producida por la unión del metal y la disolución que le rodeaba. De hecho en  1800 Volta inventó la pila que hoy día lleva su nombre formada por una serie de discos de plata y cinc separados por papel humedecido en salmuera.

 

El mecanismo de cómo se producía electricidad en la pila de Volta no fue conocido hasta bastantes años después. Sin embargo, ello no impidió que en 1820 Hans Christian Oesterd (1777 – 1851) realizara un experimento demostrando que el paso de una corriente eléctrica por un conductor cambiaba la dirección de una aguja magnética cercana al mismo. Los polos de la aguja magnética no eran repelidos ni atraídos por la corriente sino que  se orientaban en una dirección perpendicular al paso de la corriente. El experimento de Oesterd fue el primer experimento que estableció una conexión entre la electricidad y el magnetismo y por tanto fue considerado como el principio del electromagnetismo. Fue, no obstante, André Marie Ampere (1775 – 1836) quién desarrolló la teoría necesaria para entender los experimentos de Oesterd y otros similares desarrollados por el mismo. Su teoría  fue considerada como los “Principia” de la Electrodinámica.

 

El químico y físico inglés Michael Faraday (1791 – 1867) fue convencido por su amigo Richard Phillips, a la sazón editor del Philosophical Magazine, para interesarse en el experimento de Oesterd y así comenzó su investigación en electromagnetismo. El día 29 de agosto de 1831, Faraday descubrió experimentalmente  el fenómeno de la inducción electromagnética. En fechas anteriores todos sus intentos resultaron fallidos pero en dicho día no. El sistema experimental que preparó puede verse en la Figura 1. Tomó un anillo de hierro y en una de sus mitades enrolló un hilo debidamente aislado, la bobina A de la Figura, que conectó a una batería. En la otra mitad enrolló un segundo hilo, la bobina B de la Figura,  que conectó a un galvanómetro.

 

Faraday observó que cuando apagaba la corriente en A, creyendo que el experimento no había tenido éxito, el galvanómetro conectado a la bobina B, detectaba el pulso de corriente. Con más cuidado, observó que el paso de corriente de manera continua por A no producía ninguna corriente en B. Se dio cuenta que solo se producía corriente en B cuando se iniciaba o cesaba la corriente en A.

 

Poco después de este experimento, Faraday demostró que si introducía un imán dentro de una bobina se producía una corriente transitoria. Análogamente si en vez de meter el imán lo sacaba, se producía una corriente pero esta vez de sentido contrario al obtenido  cuando se introducía. Si el imán permanecía dentro de la bobina sin moverse, no se producía corriente. Resultaba claro que para producir una corriente el imán tenía que moverse en relación al carrete o bobina.

Hoy día sabemos que para producir una corriente eléctrica se necesita una variación en un campo magnético, bien moviendo físicamente un imán o cerrando o iniciando la corriente eléctrica de un solenoide, por poner algunos ejemplos. Así pues, una  corriente inducida se puede producir si una bobina gira en un campo magnético fijo. Este aparato es en realidad un generador eléctrico donde se convierte energía mecánica en energía eléctrica. En una central hidroeléctrica el agua almacenada en una presa se libera de tal manera que  su caída hace girar la bobina de un generador. En una central térmica el vapor de agua a presión, producido al calentar agua con la energía obtenida por la combustión del carbono, se utiliza para girar las bobinas.

 

En general los métodos de inducción magnética están basados en lo que hoy día se conoce como ley de Faraday, llamada así en honor a su descubridor. Esta ley establece que el voltaje inducido en un circuito eléctrico es directamente proporcional a la variación con el tiempo de flujo magnético a través del  circuito. Matemáticamente se escribe mediante la ecuación

 

                                                     

donde e    es la  fuerza electromotriz que se mide en voltios y fm es el flujo magnético que de hecho está relacionado con el número de líneas de campo magnético que pasan a través de la superficie  delimitada por  el circuito eléctrico. El término  de la derecha de la ecuación anterior representa la derivada respecto al tiempo. En realidad este flujo magnético se define como el producto del campo magnético B por el área limitada por el circuito. La unidad de flujo magnético es el Weber que equivale a un Tesla por metro cuadrado (1 T. m2). Lo que la ley indica es lo que Faraday observó en su experimento, que la fuerza electromotriz inducida no es proporcional al valor del flujo magnético sino a su variación por unidad de tiempo.

 

El signo negativo que aparece en el término de la derecha está relacionado con la dirección de la fuerza electromotriz inducida que sigue el principio general denominado Ley de Lenz en honor del físico Heinrich Friedrich Lenz (1804 – 1865), y cuyo enunciado es: El sentido de las corrientes, o fuerza electromotriz inducida, es tal que siempre se opone a la variación del flujo magnético que la produce.

 

El científico americano  Joseph Henry (1797–1878) comunicó que el había descubierto la inducción electromagnética al mismo tiempo que Faraday, de forma independiente, y posiblemente fuese así. No obstante, como no publicó estos resultados, lo que sí hizo Faraday, hoy en día el descubrimiento de dicho fenómeno está asociado al nombre de Faraday. Lo que Henry descubrió y publicó en 1832 fue el fenómeno de auto – inducción. En honor de Henry la unidad oficial de inductancia  es el Henrio, representado por la letra H. Se debería haber llamado Faraday o Faradio, pero estos términos se usan para otras magnitudes. El Faraday es una cantidad de carga electrica  usada en los procesos electrolíticos y el Faradio, representado por F y  llamado así en honor del científico inglés,  es la unidad de capacidad eléctrica.

 

El experimento de la inducción electromagnética abrió el camino de la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica y supuso el inicio de la moderna industria eléctrica donde la electricidad, como mencionábamos al principio, juega un papel crucial en el desarrollo y bienestar de nuestra sociedad.

 

Los experimentos y descubrimientos de Faraday representan un claro ejemplo de cómo la investigación básica motivada por la curiosidad científica y sin mayor interés por sus aplicaciones prácticas puede, posteriormente, tener enormes consecuencias prácticas y generar un gran desarrollo económico. En este sentido es celebre la anécdota  que relata como  el Ministro de Hacienda Británico, Gladstone, interrogó a Faraday  sobre la utilidad  de la energía eléctrica y como este  le contestó “Sir, un día podrá usted gravarla con impuestos”.

 

                                   

Figura 1. Diagrama procedente del Diario de Faraday para ilustrar su descubrimiento de la inducción electromagnética. Faraday observó que al iniciarse una corriente eléctrica a través de la bobina A se inducía una corriente transitoria en la bobina B.