Ley de Lenz

Hasta ahora hemos visto que la variación de flujo en un circuito cerrado induce una corriente eléctrica en ese circuito. Analicemos ahora el significado de esta corriente. Algunos resultados experimentales llevaron al físico ruso Heinrich Lenz (1804-1865) a descubrir la ley que lleva su nombre, la ley de Lenz que se puede enunciar de la siguiente manera:

Ahora “redescubramos” esta ley en una situación particular 😀

🤔 ¿Cómo funciona la Ley de Lenz?

Para ello, debemos imaginarnos un conductor metálico fijo, doblado en forma de U y situado en el plano de este blog, como se muestra en la imagen siguiente. Supongamos también que este plano está "penetrado" por las líneas de inducción de un campo magnético uniforme y constante, con un sentido "saliendo de la pantalla", al que llamaremos flujo inductivo B.

Una varilla de metal, permanece en contacto con el conductor en forma de U, se pone en movimiento con velocidad v (hacia la derecha), como se aprecia en la imagen. Usando la regla de la mano derecha, llegará a la conclusión de que los electrones libres en la barra están sujetos a fuerzas magnéticas que los mueven hacia uno de sus extremos.

Tenga en cuenta que los extremos de la varilla están polarizados eléctricamente (positivo y negativo), es decir, surge una diferencia de potencial entre ellos. En consecuencia, en la parte del conductor fijo, a la izquierda de la varilla, los electrones libres comienzan a moverse en la dirección indicada, como se muestra en la siguiente imagen, luego en la espira de área A formada por el conductor fijo y la varilla, se produce una corriente eléctrica inducida, de intensidad i, en la dirección indicada:

Utilizando la regla de la mano derecha, concluimos que esta corriente genera, dentro de la espira, otro campo magnético, “que entra en la pantalla”, que simbolizamos con la B inducida.

Ahora, podemos ver que la Ley de Lenz se confirma. A medida que se mueve la varilla, el flujo del vector inductivo B (flujo inductivo) a través de la espira, "fuera de la pantalla", aumenta, a medida que aumenta el área A de la espira. La corriente inducida aparece, entonces, de tal manera que genera un flujo inducido “hacia la pantalla”, contrarrestando así la variación (crecimiento) del flujo inductivo que la originó.

Supongamos, ahora, que la velocidad de la varilla hubiera sido en sentido contrario de lo que tenía en la situación anterior que acabamos de analizar. En esta nueva situación, la polarización de la varilla se invierte dando lugar a una corriente inducida en la dirección indicada en la imagen siguiente:

Tenga en cuenta que el flujo inductivo, "fuera de la pantalla", disminuye a medida que se reduce el área A de la espira. La corriente inducida aparece entonces de tal manera que genera un flujo inducido “fuera de la pantalla”, contrarrestando así la variación (disminución) del flujo inductivo que la originó, que continúa de acuerdo con la Ley de Lenz. Es importante darse cuenta de que, para contrarrestar la disminución de un flujo, es necesario crear otro flujo a su favor.

La siguiente representación facilita la aplicación de la Ley de Lenz:

🧲 Ejemplo 1: Imán acercándose a una Espira

Cuando el polo norte de un imán se acerca o aproxima a una espira, el flujo inductivo a través de él aumenta. Para contrarrestar esta variación (aumento) del flujo del inductivo, aparece una corriente inducida en la espira que genera un flujo inducido contrario al inductivo. En esta situación, la espira se polariza magnéticamente.

Nota: Cuando el polo norte del imán se acerca a la espira, la corriente inducida se opone a la variación de flujo (en este caso, aumenta), polarizando la espira de modo que repele el imán.

Esto nos lleva a concluir que la persona que empuja el imán dentro de la espira debe ejercer una fuerza contra la fuerza magnética repulsiva para acercar el imán a la espira. El trabajo útil, realizado por la fuerza ejercida por la persona, corresponde a la energía entregada al sistema y convertida en energía eléctrica, según prevé el Principio de Conservación de Energía.

🧭 Ejemplo 2: Imán alejándose a una Espira

Ahora considere el polo norte del imán alejándose de la espira. En este caso, el flujo inductivo a través del bucle disminuye. Para contrarrestar esta variación (disminución) en el flujo del inductivo, aparece una corriente inducida en el bucle que genera un flujo inducido a favor del inductivo. Este flujo inducido luego se agrega al inductivo, "tratando de evitar" la variación. En otras palabras, la corriente inducida siempre "lucha" para que el flujo total a través del circuito no cambie. Y, una vez más, está polarizada magnéticamente.

Nota: Cuando el polo norte del imán se aleja de la espira, la corriente inducida se opone a la variación del flujo (en este caso, disminuye), polarizando la espira de modo que atrae al imán.

Nuevamente, la fuerza de la persona que sostiene el imán necesita realizar un trabajo, que corresponde a la energía suministrada al sistema y que se convierte en energía eléctrica. Vea, en la siguiente figura, la polarización magnética de la cara espiral, de cara al imán, cuando su polo sur se acerca o se aleja de él.

⭕ Ejemplo 3: Dos espiras circulares de frente

Considere dos espiras circulares 1 y 2 montadas una frente a la otra, como se muestra en la siguiente figura:

Con el interruptor abierto, no fluye corriente en ninguna de las espiras

Al cerrar el interruptor, aparece una corriente i1 en la espira 1, que introduce abruptamente un flujo inductivo en la espira 2. Es decir, en ese momento la espira 2 "percibe" una variación de flujo, que inicialmente era cero y de repente creció. Luego viene a su vez la espira 2, una corriente inducida i2, que genera un flujo inducido contrario al flujo inductivo que creció. Esta corriente es detectada por un salto del puntero del galvanómetro.

Cerrando el interruptor, surge inmediatamente una corriente inducida en la espira 2.

En un período de tiempo, después de que se cierra el interruptor, la corriente inducida vuelve a cero. Esto se debe a que la corriente en la espira 1 asume un valor constante, al igual que el flujo inductivo. Por lo tanto, como ya no hay ninguna variación en el flujo inductivo, la corriente inducida también deja de existir y el puntero del galvanómetro vuelve a cero. Abriendo la llave, cesa la corriente en la espira 1.

Abriendo el interruptor, aparece una corriente inducida en la espira 2.

Nuevamente, en la espira 2 “percibe” una variación del flujo inductivo, que no fue nulo y repentinamente disminuyó a cero. Luego, en la espira 2, aparece una nueva corriente inducida, que genera un flujo inducido a favor del flujo inductivo, para contrarrestar su disminución. Esta corriente también se detecta mediante un salto del puntero del galvanómetro. Poco después de abrir el interruptor, el puntero vuelve a cero y permanece allí.