¿Cómo crear electricidad con magnetismo? INDUCCIÓN Electromagnética ⚡ Ley de Faraday y Lenz

Hola protones, hoy vamos a hablar acerca de la inducción electromagnética. Hemos visto en vídeos anteriores cómo la electricidad genera campo magnético. Ahora bien, ¿pueden los campos magnéticos producir electricidad? En este vídeo te lo cuento a partir de la ley de Faraday y de la ley de Lenz. Para descubrir esto y mucho más, sígueme la corriente. ¡Sígueme la corriente! ¡Sígueme la corriente! ¡Suscríbete y sé mi protón! Hoy vamos a hablar acerca de los fenómenos de inducción electromagnética. El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales del universo y lo llamamos electromagnetismo por la sencilla razón de que une los conceptos de electricidad y magnetismo. Aunque parezcan dos cosas diferentes, se trata de fenómenos entrelazados entre sí, las dos caras de una misma moneda. Teniendo en cuenta que son dos representaciones de la misma cosa, no resulta tan raro pensar que la electricidad pueda transformarse en magnetismo y el magnetismo pueda transformarse en electricidad. Son fenómenos interdependientes el uno del otro. Como comentamos hace un par de vídeos, fue Hans Christian Oster el primero en descubrir empíricamente esta relación entre la electricidad y el magnetismo. Él pudo observar cómo, cuando circulaba electricidad por un conductor ubicado en las proximidades de una brújula, la aguja de esa brújula modificaba su posición, dejando de marcar el norte geográfico para pasar a marcar otro punto. La fuerza que la hacía moverse era precisamente la ejercida por un campo magnético. ¿Y de dónde venía ese campo magnético? Pues de la corriente eléctrica que circulaba por el cable. Tras observar ese fenómeno, se estudió en profundidad el campo magnético y su relación con las corrientes que lo originan, surgiendo de ahí las formulaciones matemáticas de las leyes de Biot-Savart y de Ampère. Ahora bien, la pregunta que cabía hacerse llegado a este punto era ¿puede ser que este fenómeno también tenga lugar al revés? Es decir, ¿puede un campo magnético también generar corriente eléctrica? Ante esta cuestión llega Michael Faraday con la respuesta. Resumiendo, sí, los campos magnéticos pueden producir corrientes eléctricas. Pero como esto no es Twitter, vamos a desarrollarlo un poquito más. Para poder encontrar una respuesta a su pregunta de investigación, Michael Faraday ideó un sencillo experimento. Para su montaje, formó una bobina con un cable al que conectó un voltímetro. El otro elemento fundamental de su experimento era, por supuesto, un imán. Al final, el objetivo es evaluar si la influencia de un campo electromagnético hace que haya una fuerza electromotriz inducida en un cable enrollado. Recordemos que la fuerza electromotriz es lo mismo que la diferencia de potencial, el voltaje o la tensión. Al final estamos hablando de la misma cosa. Si el imán está en reposo, da igual que sea dentro o fuera de la bobina, no habría tensión en las bornas del bobinado. Es decir, no habría interacción entre el campo magnético y el cable enroscado. Cuando ubicaba el imán fuera y consideraba que se movía entrando en la bobina, pudo observar que el voltímetro sí que marcaba la existencia de tensión entre las bobinas del bobinado. Y esa tensión iba aumentando a medida que el imán se acercaba al centro de la bobina. Esto es porque al principio solo una parte de las líneas de campo del imán atraviesan las espiras, mientras que la otra parte aún no ha entrado y se disipa en el aire, fuera de las espiras. A medida que el imán se adentra, más líneas de campo entrarán en la bobina. También observó que cuando el imán pasaba del centro de la bobina, había un cambio súbito en el signo de la tensión marcada en bornas de la bobina. Y esto es debido a que estamos en la parte simétricamente opuesta a la posición anterior. Y ya en la salida del imán por el otro lado de la bobina, se observaba la situación opuesta a la que vimos en la entrada. La magnitud de tensión iría disminuyendo hasta que el imán haya salido completamente de la bobina. Representado en una gráfica, la evolución en la magnitud de la tensión iría de la siguiente manera. Así vemos que la ley de inducción electromagnética de Faraday, o ley de Faraday para los amigos, viene a contarnos que un flujo electromagnético que varía con el tiempo es lo que define a la fuerza electromotriz que produce el campo magnético y que luego se va a inducir en cada una de las espiras del bobinado. Otra manera de contar lo mismo sería ver que la variación en el tiempo de un campo magnético en una superficie de estudio, que es básicamente un flujo de campo magnético, es igual a un campo eléctrico por diferencial de longitud, representado en un contorno de estudio concreto. Vamos, lo dicho, que un campo magnético va a generar una fuerza electromotriz y ésta en un circuito cerrado va a producir una corriente eléctrica. Es muy importante tener en cuenta un matiz, y es que las ecuaciones anteriores están mal. Me explico. La ley de Faraday, tal cual te la he contado, nos habla acerca de la fuerza electromotriz producida por el campo magnético. Pero si queremos hablar acerca de la fuerza electromotriz inducida y del sentido de la corriente, entonces tenemos que pensar en la ley de Lenz. El matiz que aporta la ley de Lenz es el que luego me permitirá mostrarte realmente cómo son las ecuaciones anteriores. La ley de Lenz, formulada por Heinrich Lenz tan solo dos años después que la ley de Faraday, en 1833, describe cómo la relación en la que fluye la corriente eléctrica será siempre la opuesta al cambio de flujo que la produce. Vamos, que si yo tengo una corriente eléctrica que me produce un campo magnético y este campo magnético luego induce otra corriente eléctrica, esa segunda corriente eléctrica va a tener el sentido contrario a la corriente eléctrica inicial. Para visualizar el por qué de ese cambio de sentido, podemos entender, en cierto modo, que la naturaleza al final siempre se va a oponer a cualquier cambio producido por un estímulo externo. Si pensamos en la tercera ley de Newton, por ejemplo, cuando yo quiero mover algo, ese objeto, digamos, ejerce una fuerza en sentido contrario al empuje que yo le estoy dando. Digamos que, de igual manera, cuando yo quiero proponer un cambio en términos electromagnéticos, digamos, cuando yo quiero cambiar un campo magnético o añadir un campo magnético en el sitio, la naturaleza se va a oponer a ese cambio. Y de ahí esa dirección contraria en el sentido, tratando de contrarrestar ese estímulo que yo le estoy aportando. Este matiz se representa formalmente con la incorporación de un signo negativo en la ley de Faraday para representar ese signo opuesto en la corriente inducida. Tal cual lo estamos viendo, recordemos, esta es la fuerza electromotriz o la tensión inducida en una única espira. Si queremos calcular el total de la tensión que va a medir el voltímetro, es decir, la fuerza electromotriz en la bobina entera, bastará con multiplicar el segundo término de la igualdad por el número de espiras que estemos considerando. Así que, como hemos visto en estas expresiones, la ley de Faraday y la ley de Lenz nos sirven para explicar los fenómenos de inducción electromagnética y nos cuentan cómo, efectivamente, un campo magnético sí que puede producir una corriente eléctrica de manera opuesta, digamos, o de manera inversa a los fenómenos que vimos en vídeos anteriores por los que una corriente eléctrica produce un campo magnético. Todo esto es de importancia vital para entender el funcionamiento de todos los cacharros eléctricos y también para entender el funcionamiento del sistema eléctrico en su conjunto. Ten en cuenta que un generador eléctrico es una máquina que utiliza este principio. Mediante un movimiento rotativo, como el que se produce, por ejemplo, en un aerogenerador, se mueve el rotor de un generador eléctrico que está produciendo campo magnético. Ese campo magnético atravesará las bobinas del estator de ese generador y ahí se genera la corriente eléctrica. Recordemos que el estator es la parte estática de la máquina eléctrica que envuelve al rotor y precisamente es la interacción electromagnética entre ambas partes la que convierte al movimiento en electricidad. Luego esa corriente eléctrica viajará por las líneas de media tensión y llegará a grandes transformadores para elevarle la tensión y poder meterla en la red de transporte. ¿Y cómo se eleva la tensión? Pues al mismo rollo. La corriente pasará por un bobinado a un lado del transformador, ese bobinado generará un campo magnético bastante intenso y al otro lado del transformador habrá otro bobinado. Cada una de las espiras de este otro bobinado va a recibir la caída de tensión a causa del efecto del campo magnético creado por el primer bobinado. Pero con una diferencia. El bobinado del secundario va a tener un mayor número de espiras que el del primario. Así que el campo magnético, que induce una unidad de tensión por cada espira, va a producir mayor tensión en el secundario que en el primario, porque hay más espiras. De esta manera se eleva la tensión y la energía pasa a la red de transporte de energía eléctrica en alta tensión. De ahí se llevará a través de largas distancias hasta las ciudades, en las que se pone un transformador al revés para bajar de nuevo la tensión. Ahora el bobinado del secundario tendrá menos espiras que el bobinado del primario, con lo que habrá menos unidades de tensión inducida por el campo magnético en el interior del transformador y conseguiremos disminuir la tensión. Y una vez llegamos a los puntos de consumo tendremos máquinas similares a los generadores, pero la inversa. Los generadores producían electricidad con movimiento. Y estas máquinas, los motores, producirán movimiento con electricidad. Al principio hablamos de cómo el viento en un aerogenerador podía mover el rotor de un generador eléctrico. Pensemos ahora que el consumo en este ejemplo sea un ventilador, que no deja de ser un aerogenerador al revés. A ese ventilador le llegará la energía eléctrica procedente del sistema eléctrico, que ha pasado por todas las conversiones que hemos mencionado. Esa energía eléctrica llegará al estator del ventilador y ahí se producirá un campo magnético que interactuará con el rotor del ventilador para hacerlo girar. Al final este giro se produce de una forma más o menos sencilla con los conceptos que ya sabes. La energía llega al estator, se produce un campo magnético en el entrehierro que se llama, digamos que es ese espacio entre el estator y el rotor. Ese campo magnético va a originar una caída de tensión en las espiras de la bobina del rotor. Y esa caída de tensión, como es un circuito cerrado, va a ocasionar una corriente eléctrica. Como ya sabemos, que lo vimos en vídeos anteriores, esa corriente eléctrica va a generar un nuevo campo magnético. Y es la interacción entre el campo magnético inicial, el del estator, y el campo magnético de ahora, el del rotor, esa interacción es la que va a producir fenómenos de repulsión que son los que en última instancia harán girar ese ventilador. Al final estamos hablando de un fenómeno que ocurre en todas las máquinas eléctricas y que da sentido al funcionamiento de los sistemas eléctricos en su conjunto. Es la ley de inducción la que nos permite cerrar este ciclo, digamos, conceptual que hemos venido estudiando. Hemos visto que se puede pasar de la electricidad al magnetismo. Y ahora hemos visto que se puede pasar del magnetismo a la electricidad. Digamos que son los fenómenos que mueven el mundo. Espero que te haya gustado este vídeo y que te haya ayudado a comprender un poquito mejor los fenómenos de inducción electromagnética y para qué sirven estas conversiones entre electricidad y magnetismo y a la inversa. Con estos vídeos, digamos, quiero asentar las bases conceptuales en todo este campo del electromagnetismo que muchas veces parece que se nos alejan de lo intuitivo. La próxima semana vamos a continuar con un último vídeo de esta miniserie de electromagnetismo. Espero ya que termine de atar las bases para luego poder comprender otros conceptos asociados al funcionamiento de las máquinas eléctricas, por ejemplo. 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