Comenzamos esta sección con un concepto muy importante.

Inducción Electromagnética

Ya vimos cómo el campo magnético producido por un imán ejerce una fuerza “a distancia” sobre cargas en movimiento. Sin embargo, es posible producir corriente eléctrica en un conductor, por medio del movimiento de un imán. Debido a que no hay cargas en movimiento, lo que se necesita es que sea el campo magnético el que tiene un movimiento relativo con respecto a las cargas en reposo del conductor.

A este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética. Para que esto sea más efectivo se necesita que el conductor esté dispuesto en forma de bobina, es decir, realizando una espiral de varias vueltas uniformes sobre sí mismo. Ya se mencionó en la actividad anterior que las líneas de campo se juntan más en este caso.

El movimiento del imán al sumergirse en el interior de la bobina induce voltaje en ésta, y sus cargas se ponen en movimiento (Adaptado de Hewitt, 2007).

Entre mayor sea el número de vueltas, mayor voltaje (y, en consecuencia, corriente) será inducido en la bobina. Esto es lo que establece la que se conoce como Ley de Faraday. Sin embargo, ya vimos que una corriente pasando por una bobina produce un campo mayor, por lo tanto, la fuerza magnética en oposición al imán será mayor.

Usos de la inducción: Generadores eléctricos

Se puede inducir voltaje en una sola espira cerrada, sin necesidad de dar varias vueltas (es decir, conseguir un bobinado). La dirección del voltaje que se induce en una bobina, o una espira simple, puede cambiar de acuerdo a la dirección de movimiento de un imán que se puede estar introduciendo o sacando del interior de la bobina. Al disminuir la intensidad del campo magnético (es decir, cuando el imán sale de la bobina) el voltaje es inducido en la dirección contraria a la que tenía con el imán en el interior.

Este proceso de inducción es más eficiente si la que se mueve es la bobina. La siguiente figura muestra el esquema básico de un generador eléctrico, en el cual una espira gira dentro de un campo magnético estacionario. La diferencia entre un motor y un generador es el orden y el uso: en el motor la entrada es energía eléctrica que es transformada en energía mecánica, mientras en el generador es energía mecánica la que producirá como resultado energía eléctrica.

El movimiento de la espira sumergida en el campo magnético del imán hace que sobre ésta se induzca voltaje (Adaptado de Hewitt, 2007).

Tipos de circuitos

Todo canal por el que puedan transportarse los electrones sin interrupciones es un circuito. El estudiante debe estar familiarizado con los interruptores. Como lo dice su nombre, son dispositivos encargados de interrumpir, esto es, cortar o permitir el flujo de energía eléctrica en un circuito. Los circuitos hacen parte de los sistemas de alimentación y de los equipos eléctricos.
La idea principal de un circuito es alimentar dispositivos (resistencias, condensadores, etc.) que están conectados obviamente a dicho circuito. La forma en que estén conectados los dispositivos define la naturaleza del circuito: en serie o en paralelo.

Circuitos en serie

En la figura de ejemplo se muestran tres bombillas conectadas en serie con una batería. Al cerrar el interruptor, se establece la misma corriente en las tres bombillas, de modo que los electrones recorren todo el circuito por el único camino que tienen disponible para hacerlo. El circuito se puede interrumpir en cualquier parte, bien puede ser porque se abre el interruptor, porque se rompe uno de los filamentos, o se corta el cable.

En cualquiera de esos casos, la corriente deja de fluir. Si el circuito en serie tiene varias resistencias, la suma de éstas será la resistencia total que se “opone” al paso de la corriente, y se cumple de manera directa la Ley de Ohm. Es claro que un circuito en serie requiere sustituir directamente el elemento que corta el flujo para que pueda volver a funcionar.
Se mencionó que la corriente en cada bombilla es la misma. Esto se extiende para cada dispositivo en un circuito en serie. El voltaje, en cambio, se divide entre cada dispositivo, y no necesariamente es el mismo para todos. Por supuesto, la suma de todos los voltajes es igual al voltaje suministrado por la fuente.

Una fuente de 3V suministra 1V para cada bombilla (Adaptado de Hewitt, 2007).

Circuitos en paralelo

La principal diferencia con un circuito en serie, es que en este caso la corriente para ir entre dos puntos tiene diferentes trayectorias para seguir, tantas como dispositivos se conecten uniendo estos dos puntos; de modo que el flujo de cargas puede tomar varios caminos, independiente de que haya alguna interrupción en alguna de las trayectorias disponibles. Para explicarlo mejor, se utilizará como ejemplo un esquema sencillo (por supuesto, no en detalle) de la disposición del circuito al interior de una casa.

La alimentación de una casa se puede visualizar como varios circuitos en paralelo alimentado por dos conductores, denominados líneas. Las ramificaciones de estas líneas van a las bombillas del techo y a los contactos de la pared, los cuales están conectados entre sí en paralelo. Esto implica que a todos se les transfiere el mismo voltaje (110 volts para el estándar adoptado en Colombia). La corriente se divide entre el número de aparatos que se encuentren en funcionamiento (conectados, de hecho). Entre más aparatos se enciendan, habrá igual número de trayectorias para la corriente, y como consecuencia, disminuye la resistencia total de todo el circuito. Esto último es una regla de los circuitos en paralelo: la resistencia total del circuito es menor que la resistencia en cada rama que toma la corriente.

Tener un gran número de aparatos conectados aumenta la corriente que tiene que pasar por el sistema (y como ya se dijo, disminuyendo la resistencia total), al tener que sumar todas las corrientes para hacer funcionar cada aparato; esto puede incluso sobrepasar el límite de seguridad de corriente que puede transportar la línea original, y como consecuencia se produce una sobrecarga del circuito.
En la gráfica se representa un fusible, esto es, un dispositivo diseñado para que toda la corriente pase a través de él, y se funda en el momento en el que la corriente supere el límite de la línea, con lo que se interrumpe el circuito (note que en ese punto está todavía en serie con la línea).

Otra solución es el uso de breakers, conocidos coloquialmente como tacos. La función de estos es la de interrumpir un circuito en el que se ha detectado un cortocircuito, o dicho de otro modo una disminución de la resistencia del circuito, cuyo origen puede ser la pérdida en el aislamiento de los conductores en la línea (Adaptado de Hewitt, 2007).
Finalizamos esta unidad con los elementos suficientes para hablar de uno de los conceptos que más se utiliza a la hora de caracterizar el funcionamiento de redes y aparatos eléctricos.
La generación de energía eléctrica depende de transformar otros tipos de energía, como en el caso de las hidroeléctricas, que convierten energía potencial gravitacional (utilizan caídas de agua) para activar turbinas, o las termoeléctricas, que como su nombre lo dice, utilizan energía térmica, al calentar agua por medio de combustión de carbón (o nuclear) y hacer que el vapor a presión active esas mismas turbinas. La producción de energía eléctrica en este caso obedece al fenómeno ya ilustrado de inducción.

Potencia eléctrica

La carga que se mueve por un circuito puede hacer que éste se caliente, o puede hacer girar un motor, esto es debido a que la carga en movimiento emite energía. Recordemos de la unidad anterior que la energía (originalmente expresada como Trabajo) sobre un intervalo de tiempo es lo que conocemos como Potencia, de modo que ahora la Potencia eléctrica expresa la rapidez para convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía, que puede ser mecánica, o en forma de calor o luz.

En los términos que hemos estado utilizando en esta unidad, puede ser expresada en términos de la corriente y el voltaje como:

Potencia = corriente × voltaje

En términos de dimensiones, dado que la potencia se expresa en watts:

watts = amperes × volts
Un circuito de 120 volts tendrá que suministrar una corriente de 1 ampere para hacer funcionar una bombilla de 120 watts. Una bombilla de menos consumo, como 60 watts, requerirá una corriente de 1/2 ampere.

Algunos aparatos tienen incluso especificaciones de potencia por encima de lo que marcan sus corrientes y voltajes de funcionamiento. Puede revisar qué tanto concuerdan estos valores en, por ejemplo, un adaptador de corriente de un computador portátil (y en general, varios aparatos que realicen rectificación de corriente alterna a corriente directa).
El costo del consumo de energía eléctrica se basa en establecer la relación de potencia y el tiempo de funcionamiento de un dispositivo eléctrico. Si usted revisa en su recibo de la electricidad, se presenta una medida en kilowatt-hora. Un kilowatt y sabemos que equivale a 1000 watts, y 1 kilowatt-hora (kW-hora) corresponde a la cantidad de energía consumida durante 1 hora a una tasa de 1 kilowatt. Observe que, en análisis de dimensiones, la energía es potencia por tiempo.

De este modo, usted puede hacer una comparación de lo que cuesta cada hora de funcionamiento para cada aparato eléctrico presente en su casa. Una bombilla ahorradora de 20 watts puede funcionar durante 50 horas al costo que le indica su factura para 1 kW-hora. Para cada aparato eléctrico hay especificaciones de la potencia que éste utiliza. ¿Cuál es la proporción de costo por hora o minuto entre una plancha de ropa y una bombilla?

OTROS RECURSOS

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA, LEY DE FARADAY, FEM

ENLACE: https://www.youtube.com/watch?v=vuKjwZSsFys

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ENLACE: https://www.youtube.com/watch?v=EnrTPRbK0hY

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INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA, LEY DE FARADAY, FEM

ENLACE: https://www.youtube.com/watch?v=GHMJhOvQ1ks

MOTORES ELÉCTRICOS

https://es.khanacademy.org/science/physics/magnetic-forces-and-magnetic-fields/electric-motors/v/magnetism-9-electric-motors

FLUJO MAGNÉTICO Y LEY DE FARADAY

https://es.khanacademy.org/science/physics/magnetic-forces-and-magnetic-fields/magnetic-flux-faradays-law/v/flux-and-magnetic-flux