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La fisica y quimica

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 casi simultáneamente e independientemente en 1831 por Joseph Henry en los 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 más 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 se conectó a la bobina primaria, una corriente, por supuesto, fluyó a través de la bobina primaria. Esta corriente generó un campo magnético en todo el núcleo de hierro, de modo que había un campo magnético dentro de cada una de las dos bobinas. Mientras la corriente en la bobina primaria permaneciera constante, no había 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 cuando la corriente en la primaria se elevaba desde cero, una corriente fluía momentáneamente en la secundaria, pero solo mientras la corriente en la primaria era cambiando. Cuando se desconectó la batería y durante el breve momento en que la corriente primaria estaba cayendo a cero, nuevamente fluyó una corriente en la secundaria (pero en la 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 la secundaria mientras que el flujo magnético a través de ella estaba cambiando . La fuerza de la corriente dependía de la resistencia del secundario, por lo que quizás sea más fundamental tener en cuenta 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, cuanto mayor es la EMF inducida. Las mediciones cuantitativas han establecido 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 ( punto Phi_B ) a través del circuito.

Esto generalmente se llama “ Ley de Faraday de inducción electromagnética”. Una declaración completa de las leyes de inducción electromagnética también debe indicarnos la dirección de la EMF inducida, y esto generalmente se da en una segunda declaración generalmente conocida como “Ley de inducción electromagnética de Lenz”, que describiremos en Sección 10.2 . Cuando se le pregunta, por lo tanto, sobre las leyes de inducción electromagnética, se deben dar ambas leyes: Faraday, que se ocupa de la magnitud de la FEM, y Lenz, que se ocupa de su dirección.

Notará que la declaración de la Ley de Faraday dada anteriormente, dice que el EMF inducido no es simplemente “proporcional” a la tasa de cambio del flujo B magnético, sino que es igual a eso. Por lo tanto, debe referirse a las dimensiones de la fuerza electromotriz (unidad SI: voltio) y de (B ) – flujo (unidad SI: weber) y verificar que ( dot Phi_B ) es de hecho dimensionalmente similar a EMF . Esto por sí solo no le dice la constante de proporcionalidad entre el EMF inducido y ( dot Phi_B ), aunque la constante es, de hecho, la unidad, como se establece en la ley de Faraday. Luego puede preguntar: ¿Es este valor de 1 para la constante de proporcionalidad entre el EMF y ( dot Phi_B ) un valor experimental (y, en caso afirmativo, qué tan cerca de 1 está, y cuál es el mejor determinado actualmente? valor), ¿o se espera que sea teóricamente exactamente 1? Bueno, supongo que hay que admitir que la física es una ciencia experimental, de modo que, desde ese punto de vista, la constante debe determinarse experimentalmente. Pero presentaré un argumento en breve para mostrar no solo que esperarías que sea exactamente 1, sino que el fenómeno mismo de la inducción electromagnética es de esperar de lo que ya sabíamos (antes de embarcarnos en este capítulo) sobre la electricidad y el 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 prefieren expresar ( 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) para ( Phi_B ) es ( text {V s} ).