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En esta experiencia de laboratorio se ha observado que, produciendo un desplazamiento relativo entre un campo magnético y un conductor, en éste aparecen corrientes eléctricas. Es indiferente que lo que se mueva sea el conductor o el campo. En cualquiera de los casos, siempre que el conductor corte a las líneas del campo, habrá corriente, y ella aumentará si el movimiento es más rápido, es decir, si corta más líneas por unidad de tiempo.
En nuestra experiencia se determinó también que la corriente depende del sentido del movimiento relativo entre campo y conductor, ya que para desplazamientos opuestos la corriente cambia su sentido.
Las corrientes eléctricas en los conductores metálicos
En los conductores metálicos, las corrientes eléctricas están constituidas por las cargas negativas que portan los electrones. Ocurre que en los metales una parte de los electrones no están ligados a un átomo en particular, sino que pueden desplazarse libremente por toda la masa del material.
Cuando conectamos un conductor a una fuente, lo que hacemos es vincular uno de sus extremos con un elemento que posee electrones que puede ceder, y el otro con otro elemento que tiene déficit de electrones, y que los recibe. En términos técnicos decimos que entre los extremos del conductor hemos establecido una diferencia de potencial.
Los electrones cedidos por uno de los elementos de la fuente (borne negativo) ingresan al conductor, desplazando y sustituyendo a los electrones libres del metal, que egresan al otro elemento de la fuente (borne positivo). Si el borne negativo continua proveyendo electrones, y el positivo recibiéndolos, hay un flujo de ellos al que llamamos corriente eléctrica.
Convencionalmente se ha establecido que la corriente eléctrica es un flujo de cargas positivas, que circula desde un borne positivo a un borne negativo. Resulta entonces que, cuando hay una corriente real (de cargas negativas) de un punto A a un punto B de un conductor, decimos que la corriente es de cargas positivas que se desplazan desde B hacia A. Ambas afirmaciones, si bien no son equivalentes desde el punto de vista físico, lo son en el sentido convencional: resulta igual decir que hay una corriente de cargas negativas en un sentido, que decir que hay una corriente de cargas positivas en sentido contrario.
Las corrientes inducidas
En el párrafo anterior dijimos que en los conductores sólidos (esencialmente en los metales) existen electrones libres. Si hubiera algún medio para movilizarlos sin recurrir a una fuente externa (que en definitiva no agrega cargas, sino que sustituye a las que el conductor posee) podríamos provocar una corriente eléctrica. Ese recurso lo encontramos basándonos en las propiedades magnéticas de las cargas en movimiento.
Supongamos un caso muy sencillo: Un campo magnético uniforme B, y un conductor recto que se desplaza con una velocidad v, cortando perpendicularmente las líneas del campo. Una carga libre q del conductor (la supondremos positiva, aceptando la convención) se desplazará junto con él, con la misma velocidad v, y estará por ello sometido a una fuerza F, perpendicular a B y a v, es decir a lo largo del conductor. El sentido de F se encuentra aplicando la regla de la mano izquierda. Ello explica por qué, al mover el conductor en sentido contrario, se invierte también el sentido de la corriente.
Resulta entonces que, mientras el conductor se desplaza cortando las líneas del campo, hay fuerzas que empujan a las cargas libres a lo largo de aquel. Para que la corriente se establezca es necesario permitir que las cargas egresen por uno de los extremos e ingresen por el otro, lo que obviamente se consigue estableciendo un puente entre ellos. La corriente producida es directamente proporcional a la longitud del conductor, a la intensidad del campo y a la velocidad v, conclusiones que nos resulta fácil deducir a partir de lo ya conocido sobre la acción de un campo sobre cargas en movimiento.
La manera práctica de obtener electricidad consiste en hacer girar bobinas dentro de un campo magnético, de modo que el conductor esté permanentemente cortando sus líneas de fuerza.
En la figura se ha representado una espira (perpendicular al papel) que gira sobre el eje e, cortando las líneas del campo B.
En las ramas 1 y 2 se producen corrientes de sentidos contrarios, que se cierran a lo largo de la espira: las cargas pasan hacia arriba en 1, y hacia abajo en 2.
Como en este caso el ángulo alfa que forman v y B varía entre un valor nulo en P y en Q, y un valor máximo en M y en N, la fuerza que empuja a los electrones varía también en función del seno de dicho ángulo, y la corriente que se obtiene no es constante, sino que variará sinusoidalmente. Cada media vuelta de la espira (a partir de los puntos P y Q), la corriente cambia de sentido y tenemos una corriente alternada, cuya frecuencia está dada por la velocidad rotacional de la espira.
Resulta obvio que, si en lugar de una espira se hace girar una bobina dentro del campo, la corriente se acrecienta en función del número de espiras que esta contenga. Las otras variables que intervienen son: la intensidad de B, la superficie abarcada por el perímetro de la bobina (ya que a mayor longitud de los tramos 1 y 2, y a mayor distancia de esos tramos respecto al eje, se cortarán más líneas de fuerza en cada rotación) y por supuesto la velocidad angular y el número de espiras de la bobina.
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DESDE 1996
Las guías constructivas y de trabajos prácticos aquí presentadas fueron creadas por el
Ing. Agustín J. Frascino (QEPD 15-II-08) con la ayuda del Ing. Sergio San Román con el objeto de fomentar el trabajo experimental en la
Enseñanza de la Física, aún en los casos en que la escasez de recursos económicos parecerían
forzar a docentes y alumnos a contentarse con clases de tiza y pizarrón.