13.5 Corrientes 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?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.