Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
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  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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La ley de inducción de Faraday


La ley de inducción de Faraday es un principio fundamental del electromagnetismo y juega un papel vital en la ciencia de la electricidad y el magnetismo. Fue formulada por Michael Faraday en 1831 y es una de las cuatro ecuaciones conocidas como las ecuaciones de Maxwell, que forman la base del electromagnetismo clásico. Esta ley describe cómo un campo magnético interactuará con un circuito eléctrico para producir una fuerza electromotriz (EMF), un fenómeno conocido como inducción electromagnética.

En términos simples, la ley de Faraday establece que un campo magnético cambiante dentro de un lazo cerrado de alambre induce una corriente en el alambre. Esta propiedad de la naturaleza subyace en el funcionamiento de generadores eléctricos, transformadores y muchos tipos de motores eléctricos y es un concepto clave para entender cómo la electricidad puede ser generada a partir del movimiento mecánico.

Concepto y formulación

Matemáticamente, la ley de inducción de Faraday puede expresarse como:

EMF = -dΦB/dt

Donde:

  • EMF es la fuerza electromotriz en voltios.
  • ΦB (Phi sub B) es el flujo magnético que fluye a través de un circuito, medido en webers (Wb).
  • t es el tiempo, medido en segundos.
  • El signo negativo indica la dirección de la EMF inducida (y por lo tanto la corriente inducida en el lazo cerrado), según lo especificado por la ley de Lenz, que establece que la dirección de la EMF inducida se opondrá al cambio en el flujo magnético que la produce.

Flujo magnético

Para entender adecuadamente la Ley de Faraday, primero necesitamos entender el concepto de flujo magnético. El flujo magnético es una medida de la cantidad de magnetismo, teniendo en cuenta la fuerza y extensión del campo magnético. Se define como el producto del campo magnético promedio multiplicado por el área perpendicular que se penetra:

ΦB = B · A · cos(θ)

Donde:

  • B es la intensidad del campo magnético, medida en Tesla (T).
  • A es el área a través de la cual las líneas de campo magnético pasan, medida en metros cuadrados (m²).
  • θ es el ángulo entre las líneas de campo magnético y la perpendicular (normal) a la superficie A.
Campo magnético (B) Área (A)

En la ilustración, el rectángulo representa el área (A) y la línea roja representa la dirección del campo magnético (B). Si el campo magnético es perpendicular a la superficie (θ = 0), el flujo magnético es máximo. Por el contrario, si el campo magnético es paralelo al campo (θ = 90 grados), el flujo magnético es cero.

Visualización de la ley de Faraday

Considere un montaje experimental simple con un lazo conductor en un campo magnético. Expliquemos cómo los cambios en este campo magnético afectan la fuerza electromotriz inducida y, por lo tanto, la corriente en el lazo.

Campo magnético (B) Circuito

En este ejemplo, la línea verde representa el campo magnético que atraviesa un alambre circular (circuito). La Ley de Faraday nos dice que si el campo magnético cambia, ya sea que se intensifique, debilite, aumente, disminuya, o cambie de dirección, el flujo magnético a través del circuito cambia, y se induce una EMF.

Ejemplos de cambios que inducen EMF

  • El campo magnético (B) se vuelve más fuerte o más débil con el tiempo.
  • El área del lazo (A) que está expuesta al campo magnético se cambia, como presionando o tirando del lazo.
  • El lazo rota o se mueve dentro del campo magnético, causando que el valor de cos(θ) cambie.

Aplicaciones de la ley de Faraday

La ley de inducción de Faraday es esencial en muchas aplicaciones del mundo real. Uno de los usos más comunes es en la generación de energía. Veamos algunas situaciones donde la ley de Faraday es importante:

Generador eléctrico

En un generador eléctrico, la energía mecánica se convierte en energía eléctrica. Cuando la bobina rota en un campo magnético, el flujo magnético a través de la bobina cambia con el tiempo, produciendo EMF y resultando en corriente eléctrica en el circuito. Este principio se usa en centrales eléctricas para producir electricidad.

ROTACIÓN Bobina

Aquí, la bobina rota en el campo magnético, asegurando un cambio constante en el flujo, proporcionando así una EMF constante. Cuando la bobina es perpendicular al campo magnético, el cambio en el flujo es máximo, optimizando así la generación de energía.

Transformadores

Los transformadores utilizan el principio de inducción electromagnética para aumentar o disminuir los niveles de voltaje en circuitos de corriente alterna (CA). Un transformador consta de dos bobinas, llamadas bobinas primaria y secundaria, enrolladas alrededor de un núcleo magnético. La corriente alterna en la bobina primaria genera un campo magnético cambiante, que induce un voltaje en la bobina secundaria. Este voltaje puede aumentarse o disminuirse dependiendo del número de vueltas en la bobina.

Para un transformador ideal, la relación se da como:

Vp/Vs = Np/Ns

Donde:

  • Vp y Vs son los voltajes de las bobinas primaria y secundaria respectivamente.
  • Np y Ns son el número de vueltas en las bobinas primaria y secundaria respectivamente.

La ley de Lenz y la dirección de la EMF inducida

La ley de Lenz es una parte integral de la ley de Faraday, que da la dirección de la EMF inducida. Esta ley establece que la corriente inducida fluirá de tal manera que se opondrá al cambio en el flujo magnético que la produce. Esta oposición es la razón del signo negativo en la ley de Faraday. Es una consecuencia de la conservación de la energía.

En este escenario, si el campo magnético a través del lazo aumenta, la EMF inducida producirá una corriente cuyo campo magnético se opone al aumento. De manera similar, si el campo magnético disminuye, la EMF inducida creará un campo magnético que intenta mantener el flujo magnético original.

Problemas de ejemplo y soluciones

Exploremos un problema de muestra que demuestre la Ley de Faraday:

Crisis

Una bobina rectangular de alambre con 50 giros (N = 50) y un área de sección transversal de 0.1 m² se coloca en un campo magnético uniforme que cambia de 0.5 T a 2.0 T en 4 segundos. Calcule la EMF promedio inducida en la bobina.

Solución

El cambio en el flujo magnético, ΔΦB, se puede calcular como:

ΔΦB = N * Δ(B · A) = 50 * (2.0 T - 0.5 T) * 0.1 m² 
ΔΦB = 50 * 1.5 * 0.1 = 7.5 Wb

Usando la ley de Faraday, la EMF promedio inducida es:

EMF = - ΔΦB / Δt = - 7.5 Wb / 4 s = - 1.875 V

El signo negativo indica la dirección de la EMF inducida según la ley de Lenz, pero la magnitud de la EMF promedio inducida en la bobina es 1.875 V.

Conclusión

La ley de inducción de Faraday es la base del electromagnetismo que proporciona información fundamental sobre cómo las corrientes eléctricas pueden ser generadas por campos magnéticos cambiantes. Entender este principio no solo es importante para físicos e ingenieros, sino que también es integral para el diseño y funcionamiento de una gama amplia de dispositivos eléctricos, desde generadores y transformadores simples hasta maquinaria más compleja utilizada en las industrias. Las ideas de Faraday sobre la naturaleza de la inducción continúan influyendo en el mundo moderno y llevan a innovaciones en tecnología y soluciones energéticas.


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