21 La regla de la mano derecha de Fleming
La inducción electromagnética se puede utilizar para cambiar entre diferentes formas de campos eléctricos y magnéticos. Se utiliza en los transformadores que controlan la transmisión de energía por la red eléctrica, los adaptadores de viaje e incluso las dinamos de bicicletas. Cuando un campo magnético variable pasa por una bobina de cable, provoca una fuerza en las cargas de su interior que hace que se muevan, estableciendo así una corriente eléctrica.
«El propio Faraday llamó a su descubrimiento magnetización de la luz e iluminación de líneas de fuerzas magnéticas.»
Pieter Zeeman, 1903
Oculto en el interior del pequeño bote de metal de la dinamo hay un imán y una bobina de cable. La barra sobresaliente que gira contra la rueda hace girar un imán situado en el interior de la bobina de cable. Como el imán al girar produce un cambio de campo magnético, las cargas (electrones) del interior del cable se ponen en movimiento para crear una corriente eléctrica. Se dice que la corriente es inducida en la bobina por medio del fenómeno de la inducción electromagnética.
La regla del pulgar La dirección de la corriente inducida viene dada por la regla de la mano derecha de Fleming, llamada así por el ingeniero escocés John Ambrose Fleming. Estire la mano derecha y señale con el pulgar hacia arriba, el índice estirado hacia delante y el corazón hacia la izquierda formando un ángulo recto con el índice. Para un conductor que se mueva hacia arriba por su dedo pulgar y un campo magnético que apunta a través del índice, se inducirá una corriente en la dirección del segundo dedo, los tres formando un ángulo recto cada uno respecto a los demás. Esta regla de la mano es fácil de recordar.
La corriente inducida se puede aumentar enrollando las bobinas de forma más compacta, con el fin de que los campos magnéticos cambien de dirección más veces a lo largo de la longitud del cable, o moviendo el imán con mayor rapidez. Ésta es la razón por la que las dinamos de las bicicletas brillan con mayor intensidad cuando pedaleamos más rápido. No importa si el que se mueve es el imán o la bobina, siempre y cuando se muevan en relación el uno al otro.
La relación entre el campo magnético variable y la fuerza que induce se expresa mediante la ley de Faraday. La fuerza inducida, llamada fuerza electromotriz (a menudo abreviada como FEM) viene dada por el número de vueltas en la bobina multiplicado por la velocidad a la que cambia el flujo magnético (que aumenta con la intensidad del cuerpo magnético y el área de la bobina). La dirección de la corriente inducida siempre se opone a la que se estableció en primer lugar (esto se conoce como ley de Lenz). Si no lo hizo, entonces todo el sistema se autoamplificará y quebrantará la conservación de la energía.
Faraday La inducción electromagnética fue descubierta por Michael Faraday en la década de 1830. Faraday, un físico británico, se hizo famoso por sus experimentos con la electricidad. No sólo demostró que los imanes giran cuando flotan en un lecho de mercurio, estableciendo el principio del motor eléctrico, sino que demostró que la luz se ve afectada por los campos magnéticos. Al girar el plano de luz polarizada mediante un imán, pensó que la propia luz debía de ser electromagnética.
MICHAEL FARADAY (1791-1867)
El físico británico Michael Faraday fue un autodidacta que se dedicó a leer libros mientras trabajaba como aprendiz de encuadernador. Cuando era joven, Faraday asistió a cuatro conferencias ofrecidas por el químico Humphry Davy en la Royal Institution de Londres y quedó tan impresionado que escribió a Davy pidiéndole trabajo. Después de ser inicialmente rechazado, Faraday comenzó a trabajar y pasó la mayor parte de su tiempo ayudando a otros en la Royal Institution, pero también trabajó con motores eléctricos. En 1826, inauguró los discursos nocturnos de los viernes y las conferencias de Navidad en la Royal Institution, eventos que continúan celebrándose en la actualidad. Faraday trabajó ampliamente en electricidad, descubriendo la inducción electromagnética en 1831. Obtuvo el reconocimiento como investigador altamente especializado y fue nombrado para ocupar diversos puestos oficiales, incluyendo el de asesor científico en Trinity House, donde ayudó a instalar la luz eléctrica en los faroles. Quizá le sorprenda saber que Faraday rechazó un nombramiento de caballero y también la presidencia de la Royal Society (y no una vez, sino dos). Cuando su salud empeoró, Faraday pasó sus últimos días en Hampton Court, en la casa que le fue concedida por el príncipe Albert en reconocimiento de su extensa contribución a la ciencia.
«Nada es lo bastante maravilloso para ser verdad si está de acuerdo con las leyes de la naturaleza.»
Michael Faraday, 1849
Hasta Faraday, los científicos creían que había muchos tipos diferentes de electricidad, que se manifestaba en diferentes situaciones. Fue Faraday quien demostró que todos estos tipo se podían describir por medio de un único sistema basado en el movimiento de la carga. Faraday no era un matemático y ha llegado incluso a ser denominado «analfabeto matemático», pero sin embargo sus ideas sobre los campos eléctricos y magnéticos fueron recogidos por James Clerk Maxwell, otro físico británico, que las condensó en sus famosas cuatro ecuaciones que todavía son uno de los fundamentos de la física moderna (véase Las ecuaciones de Maxwell).
Carga almacenada El nombre de Faraday se le da a una unidad de carga eléctrica, el faradio, que sirve para etiquetar los condensadores de capacidad. Los condensadores son componentes eléctricos que almacenan temporalmente carga y son muy comunes en los circuitos. Por ejemplo, la unidad de flash de una cámara de un solo uso almacena carga mediante un condensador (mientras usted aguarda a que la luz se encienda); cuando usted aprieta el botón del obturador libera la carga para producir el flash cuando se toma la foto. Incluso utilizando una pila normal, el voltaje que acumula puede ser considerable, cientos de voltios, y si toca el condensador le producirá una desagradable carga eléctrica.
El condensador más simple está formado por dos superficies metálicas paralelas separadas por el vacío. Las tapas del bocadillo pueden estar hechas de prácticamente cualquier material siempre que sean conductoras «de pan», o puedan almacenar carga, y el «relleno» no. Los dispositivos más antiguos para almacenar carga eléctrica en el siglo XVIII eran unas botella de cristal, las «botella de Leyden», cuya superficie interior estaba recubierta de metal. Hoy en día, esas tapas del bocadillo están hechas de materiales como lámina de aluminio, niobio, papel, poliéster o teflón. Si se conecta un condensador a una batería, cuando ésta se enciende, en cada tapa se forman cargas opuestas. Cuando la batería está desconectada, las cargas se liberan en forma de corriente. La corriente decrece porque su «presión» va disminuyendo al reducirse la diferencia de carga. Como se tarda un tiempo en cargar y descargar los condensadores, éstos pueden retrasar sustancialmente el flujo de carga en los circuitos. Los condensadores a menudo se utilizan junto con los inductores (como las bobinas de cable que pueden generar corrientes inducidas) para formar circuitos en los que la carga oscila hacia delante y hacia atrás.
Transformadores La inducción electromagnética no sólo se utiliza en dinamos y motores, sino también en transformadores eléctricos. Un transformador funciona generando primero un campo magnético y utilizando después éste para inducir una segunda corriente en alguna bobina cercana. Un transformador simple está formado por un anillo magnético con dos bobinas de cable separadas enrolladas alrededor de éste. A través de la primera bobina se bombea un campo eléctrico variable, estableciendo un campo magnético oscilatorio a lo largo del imán. Este campo variable induce después una nueva corriente en la segunda bobina.
Según la ley de Faraday, la magnitud de la corriente inducida depende del número de bucles de la bobina, de modo que el transformador se puede diseñar para modular la magnitud de la corriente saliente. Cuando la electricidad se envía a una red de suministro de alta tensión es más eficiente y seguro enviarla como electricidad de baja corriente y alto voltaje. Los transformadores se utilizan en ambos extremos de la red, haciendo subir el voltaje para reducir la corriente de distribución y conducirla hasta los hogares.
Los transformadores no son 100% eficientes ya que se calientan y pierden energía.
Cronología:
1745 d. C.: Se inventa el condensador de la botella de Leyden.
1820 d. C.: Ørsted establece la relación entre electricidad y magnetismo.
1831 d. C.: Faraday descubre la inducción electromagnética.
1873 d. C.: Maxwell publica sus ecuaciones sobre el electromagnetismo.
1892 d. C.: Fleming presenta la teoría de los transformadores.
La idea en síntesis: reglas de inducción