Explicación

2.1 Ley de Ampere

Uno de los más importantes mecanismos de conversión de energía es la interacción de los campos magnéticos y los conductores con o sin corriente. A través de estas interacciones, se pueden construir las siguientes máquinas eléctricas que encuentras en cualquier automóvil hoy en día, y que constituyen parte básica de su funcionamiento y de su capacidad de darles seguridad y confort a los habitantes del vehículo:

Haz clic en cada concepto para ver su definición.

Transformadores

Se utilizan para cambiar los niveles de tensión (voltaje) en distintos puntos de un sistema eléctrico. Estas máquinas operan en base al principio de inducción electromagnética. Existen dos relaciones importantes: el flujo magnético producido por un alambre que porta corriente, y el voltaje que se induce en un conductor al estar en la presencia de un campo magnético que no es constante.

Motores

Los hay de muchos tipos, tamaños y funciones. Sin embargo, todos comparten la característica de convertir energía eléctrica en energía mecánica. Existe una relación entre el campo magnético de la máquina y la corriente que porta un conductor, a la vez sumergido en este campo.

Generadores

Los encargados de darle vida a los sistemas eléctricos. Estas máquinas realizan una función opuesta a los motores. Convierten energía mecánica en energía eléctrica. El principio más importante para comprender su operación es parecido al de los transformadores; está relacionado con el potencial (voltaje) inducido en un conductor al estar en la presencia de un campo magnético que varía con el tiempo.

Para poder comprender estas interacciones, empezarás estudiando los conceptos más básicos del electromagnetismo.

Según las observaciones de André-Ampere, científico francés del siglo XVIII – XIX, un conductor que porta corriente eléctrica tiene asociado un campo magnético que rodea este conductor. Después de una gran cantidad de experimentos y formulaciones matemáticas, él pudo derivar lo que ahora se conoce como ley de Ampere. Su postulación formal es la siguiente:

Ley de Ampere: La integral de línea de la intensidad del campo magnético, a través de una trayectoria de integración, es igual a la corriente neta que encierra esa trayectoria.

Dicho de una forma más sencilla: la intensidad del campo magnético alrededor de un portador de corriente depende de la magnitud de la corriente. Los campos magnéticos se forman por líneas cerradas alrededor de los conductores como se muestra en la imagen 1, recordando que las líneas rojas que marcan B son las líneas del campo magnético:

Figura 1. Campo magnético alrededor de un conductor
Fuente: Electrónica completa (2009). El inductor. Capítulo 7. Recuperado de: http://electronicacompleta.com/lecciones/el-inductor/

La intensidad del campo magnético disminuye conforme te alejas del conductor que está ocasionando ese campo. Al resolver la ecuación antes mencionada de la ley de Ampere, resulta lo siguiente:

Si en lugar de tener un solo cable, tienes un devanado o espira de cable, entonces la corriente neta que encierra es la magnitud de la corriente por el número de espiras. Y la fórmula anterior se convierte en:

En esta ecuación se puede comprobar que mientras más lejos estés del portador de corriente, mayor será la trayectoria de integración (un círculo de diámetro más grande) y por tanto la intensidad del campo será menor.

La dirección de las líneas de campo magnético se puede predecir mediante la regla de la mano derecha. Si tu pulgar apunta en la dirección de la corriente en el conductor, y cierras tus dedos, estos se cerrarán en la dirección de las líneas de campo magnético.

Figura 2. Dirección de flujo de corriente
Imagen obtenida de http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/22815 solo para fines educativos.

Si tienes un devanado con un mayor número de vueltas, como se muestra en la figura 3, la intensidad de campo que éste producirá será mayor a un devanado con un menor número de vueltas.

Figura 3. Selenoide
Imagen obtenida de http://en.academic.ru/pictures/enwiki/83/Solenoid-1.png solo para fines educativos.

2.2 Ley de inducción de Faraday

La ley de Ampere habla de cómo se producen los campos magnéticos debido a un portador de corriente. Ahora vas a explorar el fenómeno de una manera distinta.

¿Qué corriente se puede inducir en un conductor mediante un campo magnético?

La respuesta a esta pregunta es la ley de Faraday. A través de distintas observaciones experimentales, se pudo deducir que un campo magnético cambiante induce una tensión en un conductor. El experimento consistía en conectar una espira de cable a un medidor de potencial (voltímetro) y después se metía y se sacaba un imán de barra de dicha espira. El resultado fue que cuando la barra entraba, aparecía un voltaje en una polaridad (+); cuando el imán se sacaba, aparecía un potencial en una polaridad opuesta (-); y cuando el imán estaba estático, el potencial inducido era cero.

Figura 4. Ley de Faraday
Imagen obtenida de http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/tema9.html solo para fines educativos.

La ley de Faraday establece que: “La fuerza electromotriz (voltaje) inducida en un circuito es proporcional a la rapidez de cambio en el tiempo del flujo magnético a través de ese circuito”. Matemáticamente se escribe de la siguiente manera:

Y si el circuito que atraviesa el campo magnético consiste en una espira de cable, en lugar de un conductor sencillo o una espira de una vuelta, la ecuación se convierte en:

Donde N es el número de espiras del conductor.

Esta ecuación tiene la siguiente interpretación:

Para un flujo dado, que cambia en el tiempo con cierta frecuencia, el voltaje inducido será mayor si aumentas el número de vueltas del circuito que atraviesa este campo magnético.

Este concepto es muy importante, ya que es la base de funcionamiento de los transformadores y es crítico para el funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas.

2.3 Fuerza producida en un portador de corriente

Otro efecto muy interesante de los campos magnéticos es que cuando a través de este campo se coloca un conductor que porta corriente, este conductor experimentará una fuerza sobre él. Este es el principio básico de operación de los motores eléctricos.

Imagina un campo magnético, como el que se describe en la figura 4, y dentro de él hay un conductor que porta corriente. La fuerza que experimentará este conductor está dada por la siguiente ecuación:

Donde F es la fuerza experimentada, i es la magnitud de la corriente en el conductor, l es la longitud del conductor, y B es la densidad del campo magnético. La dirección de la fuerza se determina con la regla de la mano derecha: si tu dedo pulgar apunta hacia la dirección de la corriente, y el resto de tus dedos apunta en la dirección del campo magnético, tu palma estará en la dirección de la fuerza resultante. ¡Haz la prueba!

Figura 5. Regla de la mano derecha
Imagen obtenida de http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema9/tema9.html solo para fines educativos.

La ecuación anteriormente mostrada involucra el concepto de producto cruz entre dos vectores, para simplificar los cálculos, es expresada de la siguiente manera:

Donde θ es el ángulo entre el portador de corriente y el campo magnético. Esto quiere decir que cuando el conductor de corriente y el campo magnético sean paralelos, no habrá una fuerza en el conductor. La fuerza máxima estará presente cuando el conductor y el campo sean perpendiculares.