Cuando consideramos la relación que puede establecerse entre la electricidad y el magnetismo, debemos necesariamente referirnos, en primer lugar, a la ley de Faraday.
En Física, una ley se refiere a aquel fenómeno que se cumple de forma universal, repetida y permanentemente, de manera estable. Sus principios rigen en eventos físicos de la vida cotidiana, aunque no los percibamos a simple vista a menos que prestemos especial atención, como ocurre, por ejemplo, con la ley de la gravedad.
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La ley de Faraday
Fue propuesta por el físico y químico británico Michael Faraday en 1831, para resumir de forma general los principios que rigen a las distintas formas en que la Física puede explicar cómo se genera el voltaje eléctrico en un entorno magnético. Esta ley se soporta matemáticamente en las ecuaciones de Maxwell, que son un total de veinte ecuaciones, simplificadas en cuatro, que explican con fórmulas matemáticas -utilizando simplemente derivadas y no integrales- los principales fenómenos físicos que tienen que ver con los principios de la electricidad postulados en las leyes de Gauss, de Faraday y de Ampere, describiendo las características de los campos eléctricos y magnéticos.
Ahondemos un poco en el mundo de la electricidad y de su relación con el magnetismo, para poder entender de qué se trata la ley de Faraday y la utilidad práctica que ella tiene en múltiples aspectos de nuestra vida diaria.
¿A qué se refiere específicamente la ley de Faraday?
Esta ley se conoce también como “ley de la inducción electromagnética”, y se complementa con la ley de Lenz, que rige de forma general todo el desarrollo de la industria eléctrica a nivel mundial. Para comprenderla, requerimos definir antes, y de forma breve, lo que son el magnetismo y la corriente eléctrica. El magnetismo puede definirse como la capacidad y fuerza de atracción que se genera a partir de la interacción de dos cuerpos cargados eléctricamente de forma contraria, uno en positivo y el otro en negativo. Por su parte, la corriente eléctrica se refiere al flujo de cargas eléctricas –normalmente representada por movimiento de electrones- a lo largo de un material capaz de transmitir dicho flujo. En un campo magnético, las cargas en movimiento generan una fuerza determinada.
Demostración matemática de esta ley
En lo particular, la ley de Faraday describe el proceso mediante el cual se logra inducir la producción de una corriente eléctrica a partir de los cambios de carga producidos en un campo magnético, siendo la primera vez que se demostraba la relación entre los campos magnéticos y los campos eléctricos.
Dicha ley reza que “el voltaje del fluido eléctrico, que es inducido por un campo magnético, es directamente proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético que va atravesando una superficie conductora”, según la fórmula:
FEM (Ɛ) = dϕ/dt
Dónde:
- FEM (ε) representa a la Fuerza Electro Motriz inducida por el campo magnético, expresada en forma de tensión
- dφ/dt representa la variación temporal en la intensidad del campo magnético.
Demostración experimental de esta ley
Para demostrar su principio teórico de forma empírica, Faraday diseño toda una variedad experimentos prácticos, unos más complejos que otros, los cuales derivaron al final en diferentes aplicaciones de su principio.
Uno de los experimentos más limpios y sencillos, con el que logró demostrar la relación directa establecida entre la tasa de cambio del flujo magnético y la intensidad del voltaje eléctrico que se desarrolla como producto del cambio del primero, fue a través del uso de dos alambres enrollados en forma de espiral (solenoides metálicos cerrados en forma de bovina), uno dispuesto dentro del otro, y sin tocarse, de forma que la bovina más pequeña pudiera deslizarse fácilmente en el espacio interior dejado por la grande. La bovina interior estaba conectada a una batería que le proveía corriente eléctrica y, aparte de la carga eléctrica que pasaba por ella, dicha bovina pequeña era a su vez desplazada a lo largo del interior de la bovina más grande.
Como consecuencia de la combinación del paso del flujo eléctrico en la bovina pequeña, junto a su desplazamiento simultáneo a lo largo de la bovina externa más grande, se producía un campo magnético en la bovina pequeña que generaba a su vez la inducción de un campo eléctrico en la bovina externa, verificable en forma de un voltaje medible a través de un galvanómetro.
Implicaciones prácticas
Las derivaciones de la ley de Faraday están básicamente presentes en casi todos los aspectos prácticos de la vida moderna; desde nuestro desplazamiento en vehículos a motor, la generación de la electricidad en las plantas eléctricas, la modulación de dicho flujo eléctrico en los transformadores, así como en el trabajo de la mayor parte de nuestros artefactos eléctricos, a través de la generación de la corriente eléctrica alterna, que fue posible gracias a sus descubrimientos.
Veamos una lista de algunas de las aplicaciones prácticas desarrolladas a partir de la implementación de esta ley en nuestra vida moderna:
- Los principios asociados a la generación a gran escala de la corriente alterna, a través de la cual disfrutamos de la luz artificial y del uso de todos los aparatos que nos dan calidad de vida, facilitándonos la vida cotidiana.
- El motor de corriente continúa.
- Generadores portátiles de corriente alterna.
- Transformadores eléctricos.
- El freno magnético de potencia.
- La jaula o caja de Faraday, y su uso en el aislamiento tanto eléctrico como electrónico, principio que se utiliza para obtener aislamiento de telecomunicaciones en áreas de alta seguridad.
- El principio de la caja de Faraday también protege a los aviones y los automóviles contra descargas eléctricas de rayos, por su principio de campo electromagnético aislante.
- La superconductividad.
- La tecnología de rayos gamma y rayos X.
- Los aparatos que usan los rayos infrarrojos y ultravioleta.
- La cocina eléctrica tradicional.
- La cocina de inducción de vitrocerámica.
- Todos los desarrollos tecnológicos que utilizan ondas electromagnéticas.
- El mismo principio de la jaula electromagnética se utilizó en el desarrollo del microondas como una tecnología segura.
