LEY DE FARADAY

Michael Faraday fue un físico y químico británico del siglo XVIII. A lo largo de su vida, profundizó en el estudio de los campos magnéticos y se obsesionó por conseguir generar electricidad. Entre sus descubrimientos más importantes, están el diamagnetismo, la electrólisis y la inducción electromagnética. Ahí se engloba la famosa Ley de Faraday de Inducción Electromágnética.

La Ley de Faraday proclama que el voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad con la que cambia el flujo magnético que atraviesa una superficie con el circuito como borde. Hoy vamos a ahondar y desarrollar algo más esta Ley de Faraday

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¿Quién fue Faraday?

Michael Faraday (1791-1867) fue un brillante físico y químico del Reino Unido. Sus principales aportes a la ciencia fueron la inducción electromagnética o la electrólisis.

Adquirió su gusto por leer y por las investigaciones a los 14 años, cuando trabajó de encuadernador de libros en Londres. Fue en esa época cuando Michael Faraday abrazó todo lo que tuviera que ver con fenómenos eléctricos.

En 1831, Michael Faraday empezó a profundizar en las propiedades electromagnéticas de los distintos materiales. Arrancaba así una gran serie de pruebas y experimentos que le llevaría adescubrir la inducción electromagnética.

Este descubrimiento surgió al enrollar dos bobinas de alambre en un arco de hierro. Así, llegó a una conclusión pionera en la época: cuando aplicaba corriente a una de las bobinas, la otra bobina que no había recibido corriente, también se cargaba de electricidad. De este descubrimiento, derivó a probar que se podía generar un campo eléctrico, a partir de un campo magnético variable. 

Las aplicaciones de los descubrimientos de Michael Faraday, en numerosos campos de la actualidad, le han convertido en uno de los científicos más importantes de la historia. Hasta el punto de que Albert Einstein tenía un retrato suyo de cabecera, junto con el de Isaac Newton.

Antecedentes y Campos Magnéticos

Para poder conocer mejor que importancia tuvo la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday, hay que contextualizar. Es decir, tenemos que situarnos en cuanto al tiempo y conocimientos que se tenían en relación a los campos magnéticos y la electricidad.

Ya se conocía la relación existente entre la electricidad y el magnetismo, descubrimiento delfísico Hans Christian Øersted. Este experimento consiste en acercar a un imán una aguja imantada. Como todos los imanes tienen dos polos, uno positivo y otro negativo, la punta siempre indica el norte. Así pues, el otro extremo indica el sur. Da igual el tamaño de la aguja o que la cortemos, la punta indicará el norte y el otro extremo el sur.

Si colocamos un imán y esparcimos limaduras de hierro por encima, veremos el dibujo que crea. Cada polo del imán captará las limaduras de hierro que se encuentren bajo su influencia. Y es precisamente a eso a lo que llamamos campos magnéticos.

¿Qué ocurriría si conectáramos un imán a una fuente de electricidad? El resultado lo descubrió el físico danés Hans Christian Øersted. Éste observó que una corriente eléctrica, ejerce una fuerza sobre un imán.

Los electrones en movimiento, a través de un hilo conductor, crea un campo magnético. Esto es lo que se conoce como electromagnetismo. Si enrollamos el hilo, el efecto magnético se concentrará, al fluir los electrones por la bobina, generando un fuerza magnética capaz de atraer objetos pequeños de hierro o acero.

Si insertamos dentro de la bobina un trozo de hierro puro, se concentra aún más el efecto magnético, obteniendo un “potente” electroimán.

Inducción Electromagnética

Así es que la Ley de Faraday o inducción electromagnética, enuncia que el voltaje inducido en un circuito cerrado, resulta directamente proporcional a la velocidad con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una dada superficie con el circuito haciendo de borde.

Es decir, la fuerza electromagnética inducida en cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la velocidad del tiempo del flujo magnético encerrado por el circuito.

Podemos entenderlo con un ejemplo muy sencillo. Si utilizamos un cable conductor, por ejemplo de cobre, lo enrollamos en tres vueltas y lo conectamos a un amperímetro para medir la corriente eléctrica que se va a generar. Cogemos un imán y lo metemos y sacamos rápidamente por el interior de la bobina, el amperímetro marcará una fluctuación de corriente, cada vez que sacamos el imán del interior de la bobina. Para que exista electricidad tiene que existir una variación en los campos magnéticos.

Si este experimento lo realizamos con una bobina de muchas más vueltas de hilo conductor, y repetimos experiencia, sacando y metiendo el imán entre las espiras rápidamente, veremos como el amperímetro marca una intensidad eléctrica mayor. Al tener mayor número de espiras, generará mayor corriente eléctrica.

Si dejamos el imán en reposo, veremos que no se genera ningún tipo de corriente eléctrica. Esto se debe al principio fundamental de que para que haya corriente debe existir variación de campos magnéticos. Es decir, el imán entra en la bobina con una carga magnética, distinta a la que tiene la bobina. Por tanto, el movimiento de los átomos genera la intensidad que podemos medir con el amperímetro.

Cuando introducimos un imán en una bobina, la corriente circula en un sentido. Cuando lo sacamos, esta corriente circulará en sentido contrario. Por tanto, se puede llegar a la conclusión de que la intensidad de la corriente eléctrica que se induce en una bobina, es directamente proporcional, al número de espiras y a la intensidad del campo magnético que interacciona con estas espiras.

Cuanta más potencia tenga el imán que utilicemos, mayor intensidad genera en su campo magnético. Michael Faraday repitió este mismo experimento, pero en vez de con un imán, con un electroimán. Por ejemplo, un tornillo envuelto en en una espiral de hilo conductor.

Este electroimán, lo introducimos en una bobina compuesta de muchas espirales y le aplicamos una carga eléctrica por medio de una pila. Podemos observar que la generación de electricidad es mucho mayor. Así las cosas, la intensidad de la corriente que genera en campo magnético en el electroimán, cuanto mayor sea, mayor campo magnético tendremos y mayor corriente habrá inducida en nuestra bobina.

Este es el principio de funcionamiento de un transformador y el motivo por el que funciona con corriente alterna. Como hemos comprendido, sólo se genera intensidad de corriente cuando existen variaciones en los campos magnéticos.

La Ley de Faraday predice cómo interaccionarán los campos magnéticos con los circuitos eléctricos para producir fuerzas electromagnéticas o inducción electromagnética. Un principio fundamental operando en los transformadores, inductores y otros motores eléctricos o generadores.

Aplicaciones de la ley de Faraday

Pero, ¿qué aplicaciones prácticas tiene la Ley de Faraday y la inducción electromagnética? En el caso que nos ocupa, provocamos variaciones en el flujo magnético que provoca una fuerza electromotriz. Aún así, mantenemos una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto. Con esto, podemos provocar una corriente eléctrica.

Matemáticamente, se expresa como indicamos en la ecuación de arriba. Gracias al trabajo de Michael Faraday, se desarrollaron la mayor parte de las máquinas. Hasta algo tan cotidiano como una vitrocerámica de inducción. Como vemos, la variabilidad del campo magnético está dado por la derivada (si el campo es constante, la derivada es cero y no se provoca fuerza electromotriz alguna).

Otra aplicación importante de la Ley de Faraday es la creación de motores eléctricos. Estos propulsores transforman la energía eléctrica en mecánica. Se diferencian así de los motores químicos, que transforman el poder calorífico del combustible en energía mecánica. Además, los motores eléctricos tienen mayor rendimiento.

Otros Descubrimientos de la Ley de Faraday

Michael Faraday es principalmente conocido por su teoría de la inducción electromagnética. No obstante, realizó otros descubrimientos con importantes aplicaciones prácticas en la actualidad, por ejemplo la electrólisis.

La Electrolisis

La electrólisis fue, en realidad, descubierta por William Nicholson en el año 1800. Fue Michael Faraday quien perfeccionó sus teorías y las puso en común, elaborando la Ley de la Electrólisis de Faraday.

La electrólisis es un proceso que separa los diferentes elementos de un compuesto gracias a la electricidad. Para ello, se sumergen en el compuesto dos electrodos con carga opuesta. A uno se le conoce como ánodo y al otro como cátodo. Cada uno de estos electrodos atrae a los iones de carga opuesta. Para aumentar la concentración y separar los iones de los electrodos se usa energía proporcionada por la corriente eléctrica.

La electrólisis del agua no destilada es, hoy en día, un proceso muy utilizado en diversos ámbitos. Por ejemplo, para la cloración de piscinas. Cada vez más piscinas utilizan sal, la cual se transforma en cloro mediante la electrólisis. Para la ionización del agua que bebemos, tratamientos terapéuticos o distintos sistemas de depilación también utilizan la electrólisis.

La Jaula de Faraday

El experimento conocido como Jaula de Faraday es el más popular que se asocia a este inventor. La jaula de Faraday es, en esencia, una caja metálica que aísla y protege a cualquier cosa que esté en su interior de las descargas eléctricas y campos eléctricos estáticos. El motivo es que en su interior el campo eléctrico es nulo.

Este experimento está muy vinculado a las investigaciones de Faraday en el campo electromagnético que hemos mencionado con anterioridad. Lo sacó, al estudiar el efecto por el cual se vuelve nulo el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio.

Esto se produce a causa de la polarización, un proceso por el cual aparecen dos ámbitos mutuamente cargados. Así, cuando el conductor elegido se encuentra vinculado a un campo electromagnético externo, se produce una carga positiva en un extremo y una negativa en el otro. El resultado es que se anulan en el punto en el que entran en contacto. Lo hacen formando una suerte de vacío protegido en dicho punto.

Aplicando dicho razonamiento, Michael Faraday hizo un experimento en 1836 que todavía tiene muchas aplicaciones hoy en día. Y es que sus principios se utilizan mucho en el ámbito aeroespacial. También a la hora de proteger aparatos eléctricos en lugares donde existen muchos cambios en el ámbito electromagnético a causa de diversos fenómenos meteorológicos, como pueden ser las tormentas

El proceso tiene el siguiente desarrollo. Una caja metálica se introduce dentro de un campo eléctrico ajeno a ella. En ese momento, los protones (cargas positivas) se colocan en posición de red. Mientras, los electrones, que son cargas fundamentalmente negativas, se mueven en sentido contrario.

Eso hace que uno de los sectores de la caja solo tenga una carga negativa, mientras que el otro lado la tiene positiva. Ambas se anulan, por lo que el centro de la caja acaba teniendo una carga nula. Manteniéndose protegido en su interior cualquier objeto eléctrico, que no se verá afectado por ninguna de las dos cargas que pugnan inútilmente por el dominio.

Sin embargo, la jaula solo protege al objeto que hay en su interior de la influencia del campo eléctrico externo. Se ha constatado que otros tipos de influencias electromagnéticas siguen funcionando en el interior de la jaula de Faraday. Por citar dos ejemplos, la electricidad estática o la propia influencia magnética de La Tierra. A pesar de ello, la jaula de Faraday protege y aísla casi por completo los objetos de su interior.

La jaula de Faraday tiene muchas aplicaciones prácticas. Sin embargo, para terminar con este apartado, vamos a finalizar presentando algunas de las más curiosas.

Por ejemplo, en el año 2013 se utilizaron los principios de la Jaula de Faraday para aislar la Capilla Sixtina. Fue durante la celebración del cónclave en el que se eligió al actual papa Francisco I. Así, se evitaba cualquier injerencia exterior o la utilización de cualquier aparato electrónico que pudiera acabar con el secretismo que rodeaba a este proceso.

Cogemos dos teléfonos móviles, comprobaremos que ambos funcionen correctamente. A continuación, envolvemos uno de los teléfonos en papel de aluminio, y llamamos desde el otro. El resultado es que el teléfono envuelto no funciona, no emite ningún tipo de señal, dando la sensación de estar apagado. Este es otro ejemplo de la utilización de la Jaula de Faraday, utilizando materiales actuales y tecnología de hoy en día.

Asimismo, la jaula de Faraday está presente en muchas actuaciones tanto de ladrones como de los equipos de seguridad. Los principios son utilizados por las personas que roban objetos electrónicos en las tiendas para evitar ser descubiertos. Una bolsa recubierta con papel de aluminio actúa como una jaula de Faraday. Aísla el producto de su interior y evita que dispare las alarmas de seguridad.

Es por ello que los expertos en seguridad estudian este proceso para crear nuevos sistemas que logren hacer saltar las alarmas cuando se aplique este principio con fines ilícitos. Sin embargo, sus principios también tienen usos más cotidianos.

Probablemente habrás mirado millones de veces el cristal de tu microondas. Este electrodoméstico funciona como una jaula de Faraday que contiene la energía electromagnética y evita la influencia del exterior. Los principios vinculados a la jaula de Faraday están muy presentes en la vida cotidiana moderna y muchas de las cosas de las que disfrutamos con asiduidad actualmente serían imposibles sin este increíble invento.