Fig. 1 Michael Faraday.

• La figura (a) muestra un imán colocado en el interior de un solenoide (conductor eléctrico en forma de hélice cilíndrica), cuyos extremos están conectados a un amperímetro. Faraday observó que si el imán se mantiene en reposo (en relación con la bobina), el amperímetro no indica paso de corriente eléctrica, es decir, en esas condiciones no ocurre el efecto buscado.
• Cuando el imán se pone en movimiento, apartándose de la bobina, como en la figura (b), el amperímetro inmediatamente muestra el paso de la corriente en las espiras del solenoide. Sin embargo, si el movimiento del imán se interrumpe, la corriente deja de circular nuevamente.
• Al ponerse en movimiento nuevamente el imán, pero ahora acercándose al solenoide, el amperímetro vuelve a indicar la presencia de una corriente en las espiras, ahora en sentido contrario a la situación anterior (Fig. 2 (c)).

Fig. 2 Descubrimiento de Faraday.

• Los mismos efectos se observarían si el imán se mantuviera en reposo y la bobina se acercara o alejara de éste.

Para entender mejor la ley de Faraday de la inducción electromagnética, estudiaremos inicialmente (de manera simplificada) un concepto muy importante denominado “flujo magnético”.

Para eso, consideremos la Fig. 3 (a) que muestra las líneas de inducción de un campo magnético y una superficie plana colocada perpendicularmente a esas líneas.

Advierte que hay cierto número de líneas de inducción “atravesando” esa superficie.

Fig. 3 Campo magnético.

En esas condiciones, decimos que hay un flujo magnético a través de la superficie.

Supón que esa misma superficie se coloca en un campo magnético más intenso, como lo muestra la Fig. 3 (b). Por ese motivo las líneas que representan ese campo están, como sabemos, más juntas unas de otras que las de la Fig. 3 (a). Por tanto, tenemos un mayor número de líneas atravesando la superficie y decimos que el flujo magnético es mayor que el del caso anterior. Podemos concluir:

Fig. 4 Al hacer girar una superficie dentro de un campo magnético, ocurre una variación en el flujo magnético a través de ella.

• En la figura (a), cuando la superficie es perpendicular a las líneas de inducción, tenemos un flujo máximo a través de ella (el mayor número posible de líneas “atravesando” la superficie).
• En la figura (b), después de que la superficie sufre cierta rotación, el número de líneas que pasa a través de ella es menor, o sea, el flujo magnético sufrió una reducción.
• En la figura (c), la superficie alcanzó una posición en que se encuentra paralela a las líneas. En esa situación, ninguna línea “atraviesa” la superficie y, así, el flujo magnético a través de ella es nulo.
• Si continuamos girando la superficie, el flujo magnético a través de ella continuará sufriendo variaciones, ya sea aumentando o disminuyendo.

• En la figura (a), existe un flujo magnético a través de la bobina, pero dicho flujo no está variando (el imán está parado). Por tanto, no hay corriente inducida en las espiras.
• En la figura (b), al alejar el imán, el flujo magnético a través de la bobina disminuye, y esta variación de flujo hace aparecer una corriente inducida, que indica el amperímetro.
• En la figura (c), al acercar el imán a la bobina, el flujo a través de ella aumenta y la corriente inducida aparece en sentido contrario a la situación anterior, como está indicado en el amperímetro.

La ley de Faraday, además de ser un principio fundamental de la Física, causó una verdadera revolución tecnológica en la producción y uso de la energía eléctrica en todo el mundo a partir del siglo antepasado.

Antes de los descubrimientos de Faraday, la única manera de obtener corriente eléctrica era por medio de pilas y baterías, que proporcionaban cantidades relativamente pequeñas de energía.

A continuación describiremos un generador de corriente alterna cuyo funcionamiento está basado en la ley de Faraday. Este dispositivo constituye el modelo de los grandes generadores, existentes en las centrales eléctricas de todos los países, capaces de proporcionar enormes cantidades de energía eléctrica, indispensable para realizar prácticamente todas las actividades del mundo moderno.

Básicamente, un generador de corriente está constituido por un imán fijo y por una espira que se coloca entre los polos de dicho imán, Fig. 5. La conexión de la espira con el circuito que va a alimentar (una lámpara, por ejemplo) se hace por medio de escobillas (como en el caso de un motor), que hacen contacto con anillos ligados a los extremos de la espira.

Fig. 5 Un generador de corriente alterna muy simple constituido por una sola espira.

La espira está sumergida en un campo magnético y cuando se pone en rotación habrá variación de flujo magnético a través de ella. Esa variación de flujo hace, entonces, que se establezca una corriente inducida en la espira que, a través de las escobillas, pasa al circuito externo (la lámpara se enciende). Con el movimiento de rotación continuo de la espira, el flujo estará tanto aumentando como disminuyendo y, así, la corriente inducida tendrá periódicamente su sentido invertido.En otras palabras:

Fig. 6 En la estación hidroeléctrica, la energía mecánica de la caída de agua se transforma en energía eléctrica.

Fig. 7 En la estación termoeléctrica, la energía liberada por el combustible se transforma en energía eléctrica.

• Estación nucleoeléctrica, Fig. 8: las estaciones nucleares, como la de Laguna Verde en Veracruz, funcionan de manera semejante a una estación termoeléctrica, pero el calor utilizado para producir el vapor a alta presión proviene de las reacciones nucleares que ocurren en un reactor atómico (fisión de los núcleos de algunos elementos como el uranio, por ejemplo). Observa con atención el diagrama presentado en la Fig. 18 y lee atentamente el texto al pie.

Fig. 8 Esquema de funcionamiento de una estación nuclear. La gran cantidad de calor liberado por las reacciones nucleares que ocurren en el reactor provoca el sobrecalentamiento del agua
que circula en él. Esta agua se usa para producir el vapor que va a accionar las turbinas.
Observa que el agua sobrecalentada que circula en el reactor se mantiene en circuito
aislado, sin contacto directo con cualquier otra parte del conjunto,
para evitar contaminación radioactiva.

Fig. 9 Este dispositivo que se denomina “turbina de viento” acciona un generador de energía electrica de 3 000 kW. Por tanto, transforma la energía mecánica del viento (energía eólica)
en energía eléctrica (cada lámina del “pesca viento” tiene 30 m de longitud).

Fig.10 Usando un transformador, es posible aumentar o reducir el valor del voltaje de una corriente alterna.

• Un núcleo de fierro.
• Una bobina, denominada primaria del transformador, enrollada alrededor del núcleo, que está conectada a la fuente de voltaje, cuyo valor deseamos transformar (por ejemplo, una toma de corriente eléctrica).
• Otra bobina denominada secundaria del transformador, también enrollada alrededor del núcleo, constituyendo un nuevo circuito (sin contacto eléctrico con la primaria).

Fig. 11 Transformador del tipo usado en laboratorios de enseñanza.

Veamos ahora cómo se debe proceder para obtener una elevación o una reducción del voltaje alterno, por medio de un transformador. Consideremos que:

Se puede mostrar que entre esas cantidades existe la siguiente relación:

De esta ecuación, deducimos fácilmente que:

Fig. 12 Las líneas de transmisión de energía eléctrica tienen muchos kilómetros de longitud.

La energía generada en las grandes centrales eléctricas se lleva a los centros consumidores, por medio de líneas de transmisión o cables que, normalmente, tienen una extensión de varios kilómetros, como las que se muestra en la Fig 12. Cuando la corriente eléctrica recorre esas líneas, una parte considerable de la energía generada se disipa por el Efecto Joule, transformándose en energía térmica. Como esa energía no se aprovecha, los centros consumidores reciben sólo una fracción de la energía eléctrica generada en las estaciones.

Para reducir las pérdidas en la transmisión por el Efecto Joule, los ingenieros electricistas saben que la corriente en la línea debe ser la menor posible. Como la potencia generada se da por la ecuación P = i V_AB, para que no haya una reducción de potencia de la estación, la disminución de i debe compensarse por una elevación de voltaje V_AB. Llegamos así a la siguiente conclusión:

Por eso, el voltaje generado en una estación eléctrica antes de la transmisión tiene su valor elevado a varios millares de voltios (alta tensión), y antes de distribuirse a los consumidores, ese alto voltaje debe, por cuestiones de seguridad, tener un valor bajo. Esos cambios de voltaje pueden hacerse con relativa facilidad, usando transformadores porque, como ya se dijo, en las centrales eléctricas siempre se generan corrientes alternas. Si los generadores fueran de corriente continua, esas transformaciones de voltaje no podrían hacerse y la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias no sería viable, debido a las enormes pérdidas que ocurrirían en las líneas por el Efecto Joule.

Analiza cuidadosamente la Fig. 13, que muestra algunas etapas de la transmisión de la energía eléctrica generada en una estación, hasta el consumidor doméstico. En ésta figura vemos un transformador de poste de la calle, que realiza la última disminución de voltaje en las cercanías de tu casa.