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Física Universitaria Volumen 2

13.5 Corrientes de Foucault

Física Universitaria Volumen 213.5 Corrientes de Foucault
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Explicar cómo se crean las corrientes de Foucault en los metales.
  • Describir las situaciones en las que las corrientes de Foucault son beneficiosas y en las que no lo son.

Como se ha comentado en dos apartados anteriores, se induce una emf de movimiento cuando un conductor se mueve en un campo magnético o cuando este se mueve respecto a un conductor. Si la emf de movimiento puede causar una corriente en el conductor, nos referimos a esa corriente como una corriente de Foucault.

Amortiguación magnética

Las corrientes de Foucault pueden producir un arrastre significativo, llamado amortiguación magnética, en el movimiento en cuestión. Considere el aparato mostrado en la Figura 13.20, que hace oscilar una masa pendular entre los polos de un imán fuerte. (Esta es otra de las demostraciones de física favoritas). Si la varilla es de metal, el arrastre actúa sobre la varilla al entrar y salir del campo, amortiguando rápidamente el movimiento. Sin embargo, si la masa es una placa de metal ranurada, como se muestra en la parte (b) de la figura, el imán produce un efecto mucho menor. No hay ningún efecto discernible en una masa hecha de un aislante. ¿Por qué el arrastre se produce en ambas direcciones y hay usos para el arrastre magnético?

La figura A muestra una masa pendular de metal oscilando entre los polos de un imán. Las flechas indican las corrientes de Foucault. La figura B muestra una masa de metal ranurada que oscila entre los polos de un imán. La figura C muestra una masa pendular no conductora oscilando entre los polos de un imán.
Figura 13.20 Un dispositivo de demostración de física común para explorar las corrientes de Foucault y la amortiguación magnética. (a) El movimiento de una masa pendular de metal que oscila entre los polos de un imán se amortigua rápidamente por la acción de las corrientes de Foucault. (b) Hay poco efecto en el movimiento de una masa de metal ranurada, lo que implica que las corrientes de Foucault se hacen menos efectivas. (c) Tampoco hay amortiguación magnética en una masa no conductora, ya que las corrientes de Foucault son extremadamente pequeñas.

La Figura 13.21 muestra lo que le ocurre a la placa de metal cuando entra y sale del campo magnético. En ambos casos, experimenta una fuerza que se opone a su movimiento. Al entrar por la izquierda, el flujo aumenta, estableciendo una corriente de Foucault (ley de Faraday) en el sentido contrario a las agujas del reloj (ley de Lenz), como se muestra. Solo el lado derecho del bucle de corriente está en el campo, por lo que una fuerza sin oposición actúa sobre él hacia la izquierda (primera regla de la mano derecha [right hand rule-1, RHR-1]). Cuando la placa de metal está completamente dentro del campo, no hay corriente de Foucault si el campo es uniforme, ya que el flujo permanece constante en esta región. Pero cuando la placa sale del campo por la derecha, el flujo disminuye, provocando una corriente de Foucault en el sentido de las agujas del reloj que, de nuevo, experimenta una fuerza hacia la izquierda, frenando aun más el movimiento. Un análisis similar de lo que ocurre cuando la placa oscila desde la derecha hacia la izquierda muestra que su movimiento también se amortigua al entrar y salir del campo.

La figura muestra una placa conductora que oscila entre los polos de un imán y pasa un campo magnético uniforme. La corriente de Foucault en sentido contrario a las agujas del reloj se crea cuando la placa entra en el campo. La corriente en el sentido de las agujas del reloj se crea cuando la placa existe el campo.
Figura 13.21 Una mirada más detallada a la placa conductora que pasa entre los polos de un imán. Al entrar y salir del campo, el cambio de flujo produce una corriente de Foucault. La fuerza magnética sobre el bucle de corriente se opone al movimiento. No hay corriente ni arrastre magnético cuando la placa está completamente dentro del campo uniforme.

Cuando una placa de metal ranurada entra en el campo (Figura 13.22), se induce una emf por el cambio de flujo, pero es menos eficaz porque las ranuras limitan el tamaño de los bucles de corriente. Además, los bucles adyacentes tienen corrientes en direcciones opuestas y sus efectos se anulan. Cuando se utiliza un material aislante, la corriente de Foucault es extremadamente pequeña, por lo que la amortiguación magnética en los aislantes es insignificante. Si se quieren evitar las corrientes de Foucault en los conductores, estos deben estar ranurados o construidos con finas capas de material conductor separadas por láminas aislantes.

La figura muestra una placa de metal ranurada que entra en un campo magnético. Cuando la placa entra en el campo, se crean pequeñas corrientes de Foucault que giran en direcciones opuestas.
Figura 13.22 Las corrientes de Foucault inducidas en una placa de metal ranurada que entra en un campo magnético forman pequeños bucles, y las fuerzas sobre ellos tienden a anularse, con lo que la resistencia magnética es casi cero.

Aplicaciones de la amortiguación magnética

Uno de los usos de la amortiguación magnética se encuentra en las balanzas sensibles de laboratorio. Para tener la máxima sensibilidad y exactitud, la balanza debe estar lo más libre de fricción posible. Pero si no hay fricción, entonces oscilará durante mucho tiempo. La amortiguación magnética es una solución ideal y sencilla. Con la amortiguación magnética, el arrastre es proporcional a la velocidad y se convierte en cero a velocidad cero. Así, las oscilaciones se amortiguan rápidamente, tras lo cual la fuerza de amortiguación desaparece, permitiendo que la balanza sea muy sensible (Figura 13.23). En la mayoría de las balanzas, la amortiguación magnética se realiza con un disco conductor que gira en un campo fijo.

La figura muestra las balanzas sensibles de laboratorio. La amortiguación magnética se consigue mediante un disco conductor, también llamado aleta amortiguadora, insertado en el imán.
Figura 13.23 La amortiguación magnética de esta balanza sensible frena sus oscilaciones. Dado que la ley de inducción de Faraday da el mayor efecto para el cambio más rápido, la amortiguación es mayor para las grandes oscilaciones y va a cero cuando el movimiento se detiene.

Dado que las corrientes de Foucault y la amortiguación magnética solo se producen en los conductores, los centros de reciclaje pueden utilizar los imanes para separar los metales de otros materiales. La basura se vierte en lotes por una rampa, debajo de la cual se encuentra un potente imán. Los conductores en la basura son frenados por la amortiguación magnética mientras que los no metales en la basura se mueven, separándose de los metales (Figura 13.24). Esto funciona para todos los metales, no solo para los ferromagnéticos. Un imán puede separar los materiales ferromagnéticos solo actuando sobre la basura estacionaria.

La figura ilustra el uso del arrastre magnético para separar los metales de otras basuras. Se instala un potente imán debajo de la trayectoria de la basura del camión que separa los materiales.
Figura 13.24 Los metales pueden separarse del resto de la basura mediante el arrastre magnético. Las corrientes de Foucault y el arrastre magnético se crean en los metales enviados por esta rampa por el potente imán que hay debajo. Los no metales avanzan.

Otras aplicaciones importantes de las corrientes de Foucault aparecen en los detectores de metales y en los sistemas de frenado de trenes y montañas rusas. Los detectores de metales portátiles (Figura 13.25) constan de una bobina primaria que transporta una corriente alterna y una bobina secundaria en la que se induce una corriente. Se induce una corriente de Foucault en un trozo de metal cercano al detector, lo que provoca un cambio en la corriente inducida dentro de la bobina secundaria. Esto puede desencadenar algún tipo de señal, como un ruido estridente.

La fotografía muestra a un soldado con el detector de metales en una mano.
Figura 13.25 Un soldado en Irak utiliza un detector de metales para buscar explosivos y armas (créditos: Ejército de los Estados Unidos).

El sistema de frenado mediante corrientes de Foucault es más seguro porque factores como la lluvia no afectan al frenado y este es más suave. Sin embargo, las corrientes de Foucault no pueden detener completamente el movimiento, ya que la fuerza de frenado producida disminuye a medida que se reduce la velocidad. Así, la velocidad puede reducirse, por ejemplo, de 20 m/s a 5 m/s, pero se necesita otra forma de frenado para detener completamente el vehículo. Por lo general, en las montañas rusas se utilizan potentes imanes de tierras raras, como los de neodimio. La Figura 13.26 muestra filas de imanes en una aplicación de este tipo. El vehículo dispone de aletas metálicas (normalmente de cobre) que atraviesan el campo magnético, frenando el vehículo de forma muy parecida a la de la masa pendular que se muestra en la Figura 13.20.

La fotografía muestra las filas de imanes de tierras raras instaladas a lo largo de la línea de la montaña rusa.
Figura 13.26 Las filas de imanes de tierras raras (que sobresalen horizontalmente) se utilizan para el frenado magnético en las montañas rusas (créditos: Stefan Scheer).

Las placas de inducción tienen electroimanes bajo su superficie. El campo magnético varía rápidamente, produciendo corrientes de Foucault en la base de la olla, haciendo que la olla y su contenido aumenten de temperatura. Las placas de inducción tienen un alto rendimiento y buenos tiempos de respuesta, pero la base de la olla debe ser conductora, como el hierro o el acero, para que la inducción funcione.

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