FUERZA
ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
Fuerza electromotriz producida por movimiento.
Nuestra produccion y distribucion actual en gran
escala de la energia electrica no seria factible economicamente si los unicos
generadores de fuerza electromotriz fem disponibles fueran de naturaleza
quimica, tales como pilas secas. El desarrollo de la electrotecnia, hasta
alcanzar su estado actual, comenzo con Faraday y Henry , quienes
independientemente y casi al mismo tiempo descubrieron los fundamentos en que
se basa la produccion de fem inducida y los metodos por los cuales la energia
mecanica puede convertirse directamente en energia electrica.
Faraday
(1791-1867), fisico y quimico britanico, fue conocido principalmente por sus
descubrimientos de la induccion electromagnetica y de las leyes de la
electrolisis.
Sin embargo,
las investigaciones que convirtieron a Faraday en el primer cientifico
experimental de su epoca en los campos de la electricidad y el magnetismo. La
siguiente descripcion del fenomeno de induccion no corresponde al seguido
historicamente por Faraday,pero nos ayudara a entenderla,el concepto de
electron,como particula cargada movil dentro del metal,era desconocida en la
epoca que Faraday realizo sus experimentos.
En las
palabras de Faraday,queda reflejada la sospecha que deberia existir algun
fenomeno de induccion cuando se realiza experimentos con las corrientes
electricas:
“El poder que posee la tension
electrica de producir un estado electrico opuesto en sus proximidades se ha expresado por el termino
general de Induccion, el cual
tal como ha sido recibido en el lenguaje cientifico puede ser tambien utilizado
adecuadamente, con el mismo sentido general, para expresar el poder que pueden
poseer las corrientes electricas de inducir algun estado peculiar sobre la
materia en su inmediata proximidad, que de otra manera permaneceria
indiferente. Es con este significado que propongo usarlo en este trabajo.”
Se conocian los efectos de magnetizacion,los experimentos de Ampere de la atraccion de un disco de cobre por una espiral plana y los experimentos de Arago,todo ello llevo a Faraday a tratar de inducir una corriente electrica en otro circuito.La siguiente descripcion por parte del cientifico es el experimento clave con el se inicia toda la serie de descubrimentos:
“Se arrollo un alambre de cobre de
doscientos tres pies de longitud alrededor de un largo trozo de madera; se
intercalaron otros doscientos tres pies del mismo alambre como una espiral
entre las vueltas de la primera bobina, impidiendo con hilos el contacto
metalico en todas partes. Una de estas helices se conecto con un galvanometro y
la otra con una bateria de cien pares de placas de cuatro pulgadas cuadradas
con chapas dobles y bien cargadas. Al establecer el contacto se produjo un
repentino y ligero efecto en el galvanometro y tambien se produjo un ligero
efecto similar cuando se interrumpio el contacto con la bateria. Pero mientras la
corriente voltaica continuaba pasando a traves de una de las helices, no pudo
percibirse ninguna desviacion galvanometrica ni ningun otro efecto semejante a
la induccion sobre la otra helice, aunque se probo que el poder activo de la
bateria era grande por el calentamiento de la totalidad de su propia helice y
por el brillo de la descarga cuando se hacia a traves de carbon.”
En la siguiente pagina el
lector puede observar una version moderna de este experimento,la diferencia con
el original reside en que los arrollamientos estan hechos en un nucleo de
hierro,como luego lo realizara el mismo Faraday.
Fuerza electromotriz producida por el movimieto.
La figura representa un conductor de longitud l
situado en un campo magnetico uniforme, perpendicular al plano del dibujo y
en el sentido que se aleja del lector. Si se pone el conductor en movimiento
hacia la derecha, con una velocidad v, perpendicular a la
longitud del mismo y al campo magnetico, cada particula cargada situada dentro
del conductor experimenta una fuerza F = qBv dirigida
a lo largo del conductor. El sentido de la fuerza ejercida sobre una carga
negativa es de a a b en la figura , mientras
que la fuerza sobre una carga positiva es de b a a.
El conductor esta en las mismas condiciones que
si se encontrase en un campo electrico
de intensidad Bv, cuyo sentido fuera de b a a. Los
electrones libres en el conductor se moveran en el sentido de la fuerza que
actua sobre ellos hasta que la acumulacion de un exceso de carga en los
extremos del conductor establezca un campo electrostatico tal que la fuerza
resultante sobre cada carga situada dentro del conductor sea nula. El aspecto
general de este campo electrostatico se indica en la siguiente figura.
El extremo superior del conductor adquiere un
exceso de carga positiva, y el extremo inferior un exceso de carga negativa.
Barnet demostro que esta separacion de carga tiene realmente lugar en un
conductor movil en un campo magnetico, realizando un experimento equivalente a
cortar la barra por su centro mientras se encuentra todavia en movimiento.
Imaginemos ahora que el conductor movil desliza sobre otro conductor fjjo en forma de U, tal como se representa en la siguiente figura.
No hay
fuerza magnetica sobre las cargas que estan dentro del conductor fijo, pero
dado que se encuentra en el campo electrostatico que rodea al conductor movil,
se establecera una corriente dentro de el, siendo el sentido (convencional) de
esta corriente el mismo que el de las agujas de un reloj, o sea, de b a a.
Como resultado de esta
corriente, el exceso de carga en los extremos del conductor movil se reduce; el
campo electrostatico dentro del conductor movil se debilita, y las fuerzas
magneticas producen un nuevo desplazamiento de electrones libres dentro de
el,de a a b. Mientras se mantenga el movimiento del conductor
habra., por consiguiente, un desplazamiento continuo de electrones, en sentido
contrario al de las agujas de un reloj, alrededor del circuito o una corriente
convencional en el mismo sentido. El conductor movil se comporta como un
generador de fuerza electromotriz, y se dice que se ha inducido dentro
del conductor una luerza electromotriz, producida por un movimiento,
cuya magnitud vamos. a calcular .
Se define la fuerza electromotriz como la razon del
trabajo realizado sobre la carga circulante a la cantidad de carga
desplazada que pasa por un punto
de un circuito. Sea i la intensidad de la corriente en el circuito de la figura
anterior. A causa de la existencia de esta corriente se ejerce una
fuerza hacia la izquierda sobre el conductor movil
por el campo, y, en consecuencia, es necesaria una fuerza exterior,
suministrada por algun agente que produzca trabajo, para mantener el
movimiento. El trabajo realizado por este agente es el efectuado sobre la carga
circulante y, tanto, mediante este dispositivo se obtiene la transformacion
directa de energia mecanica en energia electrica.
La fuerza sobre el conductor movil es
F
= ilB.
La distancia recorrida en el tiempo dt, ds =
vdt, y el trabajo realizado sera
dW = Fds = ilB x vdt
Pero el producto de i por dt
es la carga dq desplazada en este tiempo
Por consiguiente,
dW = Blvdq
y la
fem, dW Idq, es, por tanto,
e=Blv
Si
B se expresa en wb/ m2(metros cuadrados),l en metros y v en m/seg ,la fem resulta en julios
por culombio o voltios .
Enlaces relacionados
Faraday
tenia razon!! Maria Paula Coluccio
y Patricia Picardo 1999
Eduardo Ghershman,8.9.2002 enlace a CIENCIA