Electromagnetismo: Ampere Y Faraday
Electromagnetismo: Ampére y Faraday
Introducción
¿Sabes cómo funciona un televisor o un radio? El funcionamiento de aparatos como el televisor, el radio, los motores eléctricos, generadores, transformadores o interruptores, depende de la relación entre las fuerzas eléctricas y las magnéticas. Una fuerza magnética se puede originar por la presencia de cargas eléctricas en movimiento, mientras que una fuerza eléctrica puede generarse a causa de un campo magnético en movimiento. A continuación, conocerás más sobre las fuerzas magnéticas.
manes y campos magnéticos
Hace aproximadamente 2,000 años, cerca de la antigua ciudad de Magnesia, en Grecia, se observaron los primeros fenómenos magnéticos, ocasionados por fragmentos de piedra de imán o magnetita (óxido de hierro). Las personas de aquella época se percataron de que algunos trozos de piedra (imanes naturales) atraían pequeños fragmentos de hierro no magnetizados. Entre los principales conceptos relacionados con este fenómeno están:
• Magnetismo, o la fuerza de atracción entre un imán sobre otros materiales.
• Imán, que es el objeto que ejerce una fuerza magnética.
• Campos magnéticos, o el espacio que rodea un imán y en el cual se manifiestan efectos magnéticos.
Existen dos tipos de imanes:
Los extremos de los imanes se denominan polo sur y polo norte; se caracterizan por tener cada uno, una carga distinta, que se repelen o se traen. Este hecho dio origen a la ley de los polos, que consiste en que:
Magnetismo terrestre
El núcleo de la Tierra está compuesto por una mezcla de metales, lo que ocasiona que se comporte como un imán gigantesco. Esta propiedad permite que, por medio de una brújula, nos podamos orientar en cualquier parte del planeta. Las brújulas tienen un imán en forma de aguja que siempre gira hacia el polo norte geográfico, lo que ayuda a ubicarnos.
Ley de Ampere
La Ley de Ampere Maxwell establece la relación entre el campo magnético y sus fuentes: la densidad de corriente y el cambio del campo eléctrico en el tiempo.
Observa el siguiente video para conocer en que consiste a ley de Ampére:
Experimento de Oersted
(campo magnético debido a la corriente)
Khan Academy en Español
Como pudiste observar en el video, el experimento de Oersted mostró que por todo cable por el que viaja corriente eléctrica se genera un campo magnético que circula alrededor del cable, que va disminuyendo conforme te alejas del cable y aumentando al incrementar la corriente eléctrica.
Ampere enunció una ley que explica esta observación, esta ley cualitativamente dice: alrededor de toda corriente eléctrica se genera un campo magnético que circula alrededor de ella, y el total del campo magnético que circula depende de la corriente total.
De manera formal, esta ley se enuncia como:
La circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que atraviesa el área que tiene como borde ese contorno.
Retomando las observaciones de Oersted, la intensidad del campo magnético generado por una corriente constante I en un cable solamente depende de la distancia al cable, es decir, que la intensidad del campo de inducción magnética B es constante en todos los puntos de un anillo alrededor del cable.
Por lo que, usando la ley de Ampere, el producto de la magnitud del campo en ese círculo, por el tamaño del anillo, debe ser proporcional a la corriente que viaja en el cable. La constante de proporcionalidad se llama permeabilidad magnética 0, de donde se deduce la relación entre la magnitud del campo de inducción en un anillo de radio r y la corriente:
Las aplicaciones de la ley de Ampere son muy grandes, desde las antenas de radio que generan ondas electromagnéticas a partir de corrientes, hasta los electroimanes, que son parte de los principios funcionales de los motores eléctricos que tenemos en nuestras casas.
Ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse; utilizan el vacío para hacerlo a una velocidad constante de 300 000 km/s entre ellas están las ondas de la luz visible, de radio, de televisión y telefonía celular. Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos, cuando estimulan los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro construya las imágenes de nuestro entorno. Las ondas electromagnéticas dan también soporte a las telecomunicaciones y al funcionamiento complejo del mundo actual.
Inducción electromagnética (leyes de inducción de Faraday)
La inducción electromagnética permite la producción de una corriente eléctrica en un alambre conductor. Éste es el principio de operación básico de muchos dispositivos eléctricos. La corriente eléctrica inducida equivale a un voltaje inducido en los extremos del alambre, es como si una fuente de voltaje estuviera conectada entre sus extremos para producir la corriente. Así, se puede considerar que el movimiento del imán no sólo induce la corriente, sino también una diferencia de voltaje en el alambre; mientras más rápido se mueva el imán, el voltaje y la corriente inducidos serán mayores.
Cuando se introduce un imán en una bobina, las cargas en su interior se mueven y producen una corriente eléctrica. Por otro lado, si el número de espiras en la bobina crece, el voltaje que se induce aumenta proporcionalmente, pues el número de cargas que se pone en movimiento también es mayor.
La relación entre estas variables fue descubierta por Michael Faraday y se conoce como la ley de inducción de Faraday, la cual establece que:
El voltaje inducido en una bobina es proporcional al producto del número de espiras y a la razón de cambio del campo magnético dentro de dichas espiras.
Observa en el siguiente video el experimento que realizó Faraday y su funcionamiento:
LEY DE FARADAY - LA CORRIENTE ELÉCTRICA- Generador de Corriente
Dentro de las aplicaciones de la ley de Faraday se encuentran el motor eléctrico y el transformador.
Motor eléctrico
El motor eléctrico hace girar un eje que tiene acoplado un juego de imanes (el rotor) en el interior del campo magnético creado por una serie de bobinas dispuestas a su alrededor que funcionan como electroimanes (el estátor); la corriente alterna que fluye por el estátor genera un campo magnético giratorio, que a su vez, inducirá corriente eléctrica en los devanados del rotor originando un campo magnético en este, causando que el rotor gire continuamente siguiendo al campo magnético del estátor.
Explicación animada de la corriente directa y alterna
Transformador
Al estudiar los efectos de inducción de una bobina (primario) sobre otra (secundario) se obtiene que, en el caso ideal, el voltaje que resulta en el secundario es proporcional al voltaje del primario. De esta manera se puede elevar o reducir el voltaje a voluntad. El dispositivo formado por estas dos bobinas alrededor de un núcleo es un transformador.
Los transformadores resultan esenciales en la transmisión de la energía eléctrica, porque a la vez que aumentan el voltaje reducen la intensidad de corriente. De esta forma se minimizan las pérdidas por el efecto Joule en la distribución de energía eléctrica.
Fuentes
Benites Morales, Alejandro y León Jiménez, Nancy Jazmin,“3.3 Ley de Ampère”, Fundamentos electrónicos para la computación [en línea], UAEH, México, http://cidecame.uaeh.edu.mx/lcc/ mapa/PROYECTO/libro16/index.html (consultado el 19 de diciembre de 2018).
López, J., Moreno, E., Gómez, M.J. Magnetismo y electricidad. Museo Virtual de la Ciencia. 2017. https://museovirtual.csic.es/salas/magnetismo/mag7.htm (Consultado el 26 de enero de 2023).
Juan.moreno3, “El magnetismo”, Slideshare [en línea], 4 de enero de 2014, https://es.slideshare.net/juan.moreno3/el-magnetismo-29690255 (consultado el 19 de diciembre de 2018).
Khan Academy, (s.f.) La luz: ondas electromagnéticas, espectro electromagnético y fotones [en línea]. Consultado el 12 de julio de 2022 en: https://es.khanacademy.org/science/ap-chemistry/electronic-structure-of-atoms-ap/bohr-model-hydrogen-ap/a/light-and-the-electromagnetic-spectrum
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