A modo de introducción.
En la
actualidad, la tecnología es tan avanzada que parece casi imposible superarla.
Sin embargo, no siempre fue así, todos estos avances tienen un génesis y para
este caso no es otro que el estudio y experimentos con la inducción electromagnética
la cual es el fenómeno que se produce en un conductor cuando se induce una corriente
eléctrica estando inmerso en una región de flujo de campo magnético oscilante.
Esto lo pudo descubrir
por el año 1820, Hans Christian Oersted planteando que existe una relación
entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Accidentalmente, Oersted observó
que cuando pasa corriente eléctrica por el hilo conductor puede alterar la dirección
de alineamiento de algunas brújulas que habían sido dejadas en las proximidades
del hilo conductor.
Figura N° 1 Brújulas alrededor de un hilo conductor.
Tomado de: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-inducao-eletromagnetica.htm
El experimento
de Oersted nos permitió comprender que la electricidad y el magnetismo, hasta entonces
“independientes” uno del otro, ya que son fenómenos de la misma naturaleza y fue
a partir de ese descubrimiento que se iniciaran los estudios sobre el electromagnetismo.
Con estos estudios
los solenoides se insertan en el ámbito de los campos magnéticos producidos por
corrientes eléctricas, tema que es una extensión natural del estudio de los
campos magnéticos producidos por imanes. Después de comprender los principios
básicos de la Ley de Ampere y la Ley de Biot-Savart (Es una de las principales
leyes del magnetismo, siendo una extensión de la Ley de Coulomb para las cargas
en movimiento. Esta ley permite calcular el campo magnético generado por una corriente
eléctrica),
El estudio de
los solenoides nos proporciona un medio eficiente de manipular y direccionar los
campos magnéticos. Esto es particularmente importante ya que estos son una fuerza
clave en la Física, estos campos interactuando con partículas cargadas y generando
movimiento. De esa forma, el estudio de los solenoides es una parte esencial
para nuestro entendimiento del electromagnetismo y sus múltiples aplicaciones.
Figura N° 2 Experimento para la construcción de un electroimán.
Tomado de: https://www.periodicodeibiza.es/noticias/sociedad/2024/10/04/2253891/industria-del-solenoide-tecnologia-moderna-esta-revolucionando-2024.html
El Solenoide
Ahora para
especificar traemos a colación la definición de solenoide según Halliday,
Resnick, y Walker (2009), Estos “Son conductores enrollados que forman tubos estructurados
de espiras distribuidas uniformemente espaciadas, las cuales, cuando se aplica una
corriente eléctrica, se nota la generación de un campo magnético, entonces toda
vez que ocurre una variación en la corriente eléctrica, ocurre un surgimiento
de un campo magnético” En pocas palabras el solenoide es una bobina de alambre
que cuando por ella pasa corriente, esta se convierte en un electroimán que
atrae o repele un núcleo móvil dentro de él.
Y tal como lo
describe Tipler & Mosca (2009), “El solenoide muchas veces denominado como una
bobina de hilo en formato espiral en torno de un pistón, normalmente de hierro,
logrando un electroimán. Las líneas de campo de un electroimán entran en una extremidad
y salen por la otra, en tanto que en el imán, ellas entran por un polo (polo sur)
y salen en el otro (polo norte)". Por representar el comportamiento semejante al
de un imán.
Los solenoides
se utilizaron inicialmente en aplicaciones simples como timbres eléctricos, interruptores y válvulas. En la actualidad estos se clasifican como
dispositivos electromecánicos utilizados para obtención de fuerza mecánica a
partir de energía eléctrica. El sistema de funcionamiento de un solenoide, cuyas
principales aplicaciones son para el accionamiento de interruptores, ignición
de un automóvil, válvula en el sistema de aspersores, transistores, unidades de
irrigación y martillos de aire, así como también en la industria automotriz que
con la aparición de los vehículos eléctricos, los solenoides se han convertido
en una parte esencial del diseño de estos vehículos.
Sin embargo,
la industria del solenoide se destaca también en la robótica que hace algunos
años, los robots no eran capaces de realizar tareas como realizar cirugías o
moverse por los almacenes. Y la medicina no es la excepción, estos aparatos
regulan el flujo de aire en respiradores y otros dispositivos médicos.
La inducción electromagnética
De acuerdo con
los avances de los estudios posteriores a Oersted, se entendió que las corrientes
eléctricas eran capaces de generar campos magnéticos, La reciprocidad fue
observada en 1831, cuando Michael Faraday descubrió que una corriente eléctrica
era capaz de producir un campo magnético. Por tanto, Faraday realizó diversos
experimentos, con su aparato experimental que consistía de un anillo de hierro con
dos enrollados (bobinas) de hilos de cobre, conectados a una batería y a un galvanómetro
(dispositivo usado para medir corriente).
Figura N° 3 Circuito experimental de Faraday
El experimento
de Faraday mostró que un campo magnético oscilante puede producir corriente eléctrica.
Faraday percibió
que, cuando la batería era conectada o desconectada, se veía el movimiento de
la aguja del galvanómetro, indicando este una circulación de corriente sin
embargo, esa corriente cesaba y solo se veía nuevamente cuando la batería era
conectada o desconectada. Faraday realizo diferentes experimentos, en uno de ellos
descubrió que, cuando se movía un imán en dirección a una bobina conductora (también
conocida como solenoide), una corriente eléctrica la recorría. Él había descubierto
el principio de la inducción electromagnética.
Michael
Faraday había descubierto que el movimiento relativo entre un imán y una bobina
era capaz de producir una corriente eléctrica, actualmente ese fenómeno es utilizado
en el mundo entero, para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas,
termoeléctricas, nucleares, eólicas etc.
Inducción electromagnética y la ley de Faraday
De acuerdo con
la ley de Faraday, cuando hay variación de flujo de campo magnético en algún circuito
conductor, como en una bobina, una fuerza electromotriz inducida (tensión eléctrica)
surge en ese conductor.
El flujo
magnético, a su vez, se refiere al número de líneas de campo magnético que
cruzan un área. Esta magnitud física, medida en Wb (Weber o T/m²), relaciona la
intensidad del campo magnético con el área y el ángulo entre las líneas del
campo magnético y la recta normal del área.
Formula 1: Flujo magnético
Donde:
Φ – flujo magnético (Wb o T/m²)
B – campo magnético (T – Tesla)
A – área (m²)
Cos θ – ángulo entre B y superficie de A
A pesar de
que la inducción electromagnética fue descubierta por Faraday, él no la dedujo matemáticamente,
ni pudo explicar la forma de como la fuerza electromotriz surgía en el
circuito, esas implementaciones surgirían después, por los estudios de Heinrich
Lenz en 1834 y los de Franz Ernst Neumann entre el año 1845 y 1847, que publicó
trabajos que establecieron las leyes matemáticas de la inducción de corrientes
eléctricas, moldeando la ley de Faraday en la forma como la conocemos actualmente.
La
contribución de Neumann se refiere a la ecuación de la ley de Faraday, que la
describió como una variación temporal del flujo del campo magnético, comprobando:
Formula
2:
ε – fuerza electromotriz inducida (V –
Volts)
ΔΦ – variación de flujo magnético (Wb)
Δt – intervalo de tempo
La
contribución de Lenz, a su vez, estuvo relacionada con el principio de
conservación de la energía. Lenz explicó cuál debería ser la dirección de la
corriente eléctrica inducida por la variación del flujo magnético. Según él, la
corriente eléctrica inducida siempre surge de tal manera que se opone a la
variación del flujo magnético externo. La observación de Lenz nos llevó a
añadir el signo negativo a la ley de Faraday.
Las figuras siguientes
muestran como ocurre el surgimiento de la fuerza electromotriz inducida de acuerdo
con la ley de Faraday-Lenz, y observe que las líneas del campo magnético inducido
parecen compensar la variación en el flujo del campo magnético que aumenta
hacia el interior del solenoide:
Figura N°4 Experimento inducción electromagnética (A)
Figura N°4 Experimento inducción electromagnética (B)
Al alejar el norte
magnético hace que la bobina produzca un sur magnético.
Aplicaciones de la inducción
electromagnética
A medida que
la comprensión del electromagnetismo avanzaba, los científicos e ingenieros
comenzaron a explorar formas de aplicaciones directas para la inducción electromagnética
donde se aprovecha el principio básico del motor eléctrico que se basa en la
interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica, lo que produce
una fuerza de rotación logrando la conversión de energía eléctrica en energía mecánica.
Los motores eléctricos se convirtieron en componentes fundamentales en una amplia gama de
aplicaciones, desde máquinas industriales hasta electrodomésticos y transporte.
La capacidad de estos en convertir la energía eléctrica en movimiento mecánico
de manera eficiente y controlable los hizo indispensables en la revolución
industrial y el desarrollo tecnológico moderno.
Hoy día, los motores eléctricos
se encuentran en prácticamente todos los aspectos de nuestra vida cotidiana y
son esenciales para el funcionamiento de la sociedad.
En resumen, la
transición de la tecnología eléctrica aplicada al solenoide hasta llegar al
motor eléctrico, sin olvidar el transformador eléctrico, ni el generador. Son
un hito crucial que permitió aprovechar de manera más eficiente y versátil la
energía eléctrica con la intención de lograr generar movimiento para la transformación
de la vida cotidiana gracias a la potencia mecánica que obtenemos de ellos,
buscando siempre la mejoras en el diseño, los materiales y la eficiencia de las
maquinas eléctricas que se volvieron cada vez más potentes, confiables y
versátiles.
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Referencias:
HALLIDAY, D; RESNICK, R; WALKER,
J. Fundamentos de la Física 3: Electromagnetismo. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC – Libros
Técnicos y Científicos, 2009.
TIPLER & MOSCA. Física para científicos
e Ingenieros. Volumen 2, Editora LTC, 6 edición, 2009.
