La ley de Lenz establece que al generar una fuerza electromotriz (fem) provocada por una cambio del flujo magnético según la ley de Faraday, la polaridad de fem inducida genera una corriente magnética que se opone a la variación que produce.
Esta ley se basa en la ley de inducción de Faraday que establece que cuando se conecta un campo magnético variable a una bobina, se induce una fuerza electromotriz (voltaje inducido) en él. Dicho de otra forma: la magnitud de la fuerza electromotriz inducida en el circuito es proporcional a la variación del cambio de flujo.
La ley es una consecuencia al principio de conservación de la energía (la energía no se puede crear ni destruir) y a la tercera ley de Newton (siempre hay una reacción igual y de sentido contrario a cada acción).
La ley de Lenz se llama así en honor a los trabajos realizados por Heinrich Lenz en 1834.
Esta ley física es de gran importancia en la comprensión de fenómenos electromagnéticos, como la generación de electricidad en generadores eléctricos, transformadores y muchas otras aplicaciones en la física y la ingeniería eléctrica.
Fórmula de la ley de Lenz
El flujo generado por un campo magnético uniforme al pasar a través de un circuito plano se puede calcular con la siguiente fórmula:
Φ=B · S · cos(α)
donde
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Φ es el flujo magnético expresado en Wb.
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B es la inducción magnética expresada en T.
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S es la superficie plana del conductor.
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α es el ángulo formado por la dirección del campo y la superficie del conductor.
Ejemplos y aplicaciones
La Ley de Lenz tiene múltiples aplicaciones en la física y la ingeniería.
A continuación, se presentan ejemplos y aplicaciones que incluyen tanto la energía fotovoltaica como otras áreas:
Generadores eléctricos
Los generadores de energía eléctrica aplican la ley de Lenz, por ejemplo en los aerogeneradores o en las turbinas hidráulicas.
En la generación de energía eólica, los generadores utilizan la fuerza del viento para hacer girar una turbina que, a su vez, mueve un generador eléctrico. La Ley de Lenz se aplica en la generación de electricidad cuando las aspas de la turbina cortan las líneas del campo magnético en el generador.
En las centrales hidroeléctricas, la caída de agua desde una altura impulsa una turbina que, nuevamente, gira un generador eléctrico. La Ley de Lenz se aplica en la inducción electromagnética que convierte la energía cinética del agua en electricidad.
Frenado electromagnético
Los vehículos eléctricos utilizan frenado regenerativo para recuperar energía al desacelerar o frenar. La Ley de Lenz se aplica al generar una corriente eléctrica que se opone al movimiento de las ruedas, lo que ralentiza el vehículo y convierte la energía cinética en electricidad que puede recargarse en la batería.
Transformadores
Los transformadores eléctricos se basan en la Ley de Lenz para cambiar la tensión de una corriente alterna (CA) sin cambiar la frecuencia. La corriente primaria en una bobina induce una corriente secundaria en otra bobina a través del flujo magnético compartido.
Teoría de circuitos
En circuitos eléctricos, la autoinducción se basa en la ley de Lenz. Cuando la corriente en una bobina cambia, se induce una fuerza electromotriz (FEM) que se opone a ese cambio. Esto se utiliza en componentes como relés y bobinas de encendido.
Aceleradores de partículas
La dirección de los campos magnéticos se controla según la ley de Lenz para guiar las partículas de manera eficiente.
Limitaciones de la ley de Lenz
Aunque la ley de Lenz es una regla fundamental en la física que describe la relación entre el cambio en el flujo magnético y la corriente inducida en un circuito, también tiene sus limitaciones y situaciones en las que no se aplica de manera directa.
Aquí están algunas de las limitaciones y consideraciones importantes:
Situaciones de alta velocidad y campos magnéticos intensos
En situaciones de alta velocidad o con campos magnéticos extremadamente intensos, la ley de Lenz puede no ser suficiente para describir con precisión el comportamiento del sistema.
En estos casos, pueden surgir efectos relativistas o cuánticos que requieran una descripción más avanzada.
Despreciable resistencia eléctrica
La ley de Lenz presupone la existencia de una resistencia eléctrica en el circuito. En circuitos superconductores, donde la resistencia es esencialmente nula, la ley de Lenz puede no aplicarse directamente, ya que no hay pérdida de energía en forma de calor debido a la resistencia.
Comportamiento no lineal
En sistemas no lineales, donde la relación entre el cambio en el flujo magnético y la corriente inducida no es lineal, la Ley de Lenz puede proporcionar sólo una descripción aproximada de la respuesta del sistema.
Efectos cuánticos
A escalas extremadamente pequeñas, como en la física cuántica, los electrones pueden exhibir comportamientos cuánticos que no se describen completamente mediante la Ley de Lenz.
En tales casos, las leyes cuánticas deben utilizarse para comprender mejor la interacción entre partículas cargadas y campos magnéticos.
Sistemas con cambios abruptos
En situaciones en las que el cambio en el flujo magnético ocurre de manera repentina o abrupta, la Ley de Lenz puede no prever completamente los efectos transitorios y las sobretensiones que pueden generarse en el circuito.
Materiales magnéticos complejos
Esta ley es una simplificación que no tiene en cuenta la complejidad de los materiales magnéticos en situaciones donde los materiales son ferromagnéticos o tienen comportamientos magnéticos no lineales. En tales casos, se requiere un análisis más detallado.
Efectos relativistas
A velocidades cercanas a la velocidad de la luz, los efectos relativistas pueden modificar la relación entre el campo magnético y la corriente inducida, lo que requiere consideraciones relativistas para una descripción precisa.
Ejercicio resuelto de la Ley de Lenz
Enunciado
Supongamos que tenemos una bobina de alambre con 100 vueltas y una resistencia de 5 ohmios. La bobina se coloca en un campo magnético uniforme, y el flujo magnético a través de la bobina cambia con el tiempo a una tasa de 0.02 Weber por segundo. Queremos calcular la corriente inducida en la bobina y la FEM (fuerza electromotriz) inducida en el circuito.
Solución
Primero, recordemos la Ley de Lenz: la corriente inducida en un circuito cerrado siempre se opondrá al cambio del flujo magnético que la produce. Esto significa que la corriente fluirá en la bobina en una dirección que generará un campo magnético que se opone al cambio en el flujo magnético externo.
Calcular la FEM inducida:
Utilizamos la Ley de Faraday de la inducción electromagnética para calcular la FEM inducida (ε) en la bobina:
ε = -dΦ/dt
Donde ε es la FEM inducida y dΦ/dt es el cambio en el flujo magnético respecto al tiempo.
ε = -(0.02 Wb/s)
ε = -0.02 V (negativo porque se opone al cambio)
Calcular la corriente inducida:
Usamos la ley de Ohm para encontrar la corriente (I) en el circuito. La ley de Ohm establece que V = I * R, donde V es el voltaje y R es la resistencia.
ε = I * R
-0.02 V = I * 5 ohmios
I = -0.02 V / 5 ohmios
I = -0.004 A
Por lo tanto, la corriente inducida en la bobina es de -0.004 amperios, y fluye en una dirección opuesta al cambio en el flujo magnético externo, como lo dicta la ley de Lenz.