Corriente de Foucault

Regla de la mano derecha de las corrientes de Foucault

La Regla de la Mano Derecha, también conocida como Regla de la Mano Derecha de Fleming, es un truco práctico para recordar la dirección de la fuerza de Lorentz sobre las cargas que se mueven en un campo magnético.

A diferencia de las cargas en un campo eléctrico, la fuerza y la dirección de esta fuerza vienen determinadas por la velocidad \(\vec{v}\) de las cargas. Esta fuerza viene determinada por el producto vectorial cruzado de la velocidad y el campo \[\vec{F}=q(\vec{v}\veces\vec{B})\].

El vector formado a partir del producto cruzado de dos vectores es siempre perpendicular a los vectores iniciales. Por tanto, para saber en qué dirección actúa la fuerza de Lorentz, utilizamos la regla de la mano derecha. Considera una placa conductora que se mueve hacia la derecha bajo un campo magnético fijo que apunta hacia abajo a través de la placa, como se muestra a continuación.

Con la mano derecha extendida, señala con el dedo índice en la dirección del movimiento de la placa, hacia la derecha. Esto representa la velocidad \(\vec{v}\) de las cargas. Ahora, manteniendo el dedo índice como está, coge el segundo dedo y apúntalo en la dirección del campo magnético \(\vec{B}\), es decir, hacia abajo. Ahora, apuntando con el pulgar se obtiene la dirección de la fuerza de Lorentz sobre las cargas, hacia la parte posterior de la placa.

Esta fuerza hace que las cargas deriven hacia la parte posterior de la placa, lo que a su vez modifica su velocidad \(\vec{v}\) y la dirección de la Fuerza de Lorentz. Siguiendo la dirección de las cargas con el dedo índice, veremos que esta Fuerza de Lorentz hace que den vueltas alrededor, formando bucles cerrados. Así, vemos que en situaciones en las que las cargas de un conductor se mueven perpendicularmente a un campo magnético, se forman corrientes de Foucault debido a la fuerza de Lorentz y a la regla de la mano derecha.

Pérdidas por corrientes parásitas

Una vez visto cómo pueden producirse estas corrientes parásitas, veamos ahora sus consecuencias y el efecto que pueden tener en algunas tecnologías clave.

Uno de los efectos más molestos de las corrientes parásitas es que pueden ser una enorme fuente de pérdida de potencia, por ejemplo en los transformadores que utilizan la inducción electromagnética para cambiar la tensión de una corriente eléctrica.

Las corrientes parásitas provocan pérdidas de potencia porque ningún material es un conductor perfecto (aparte de los superconductores, pero eso es otra cuestión). La mayoría de los materiales tienen una resistividad distinta de cero, lo que significa que las corrientes que fluyen a través de ellos experimentan una fuerza de arrastre debida a las cargas presentes en los átomos y moléculas del propio conductor.

Depende de la resistencia intrínseca del material \(R\), así como de la superficie del material \(A\) y de su longitud \(L\): \[\rho=\frac{R A}{L}.\]

Por tanto, si surgen corrientes parásitas en un conductor con resistividad distinta de cero, gastarán parte de su energía cinética en forma de calor al intentar superar las fuerzas resistivas. Este efecto de calentamiento puede aprovecharse brillantemente en las modernas placas de inducción, que utilizan la inducción electromagnética para producir corrientes parásitas en una sartén en lugar de calentarlas con fuegos de gas de la forma convencional.

Sin embargo, este efecto de calentamiento puede suponer un enorme problema en el contexto de los transformadores, en los que hay que conservar tanta energía como sea posible al convertir entre diferentes tensiones. Por eso, en los transformadores modernos, los núcleos de hierro están formados por cientos de láminas de hierro laminado. Como las láminas de hierro están aisladas entre sí, se impide que las corrientes parásitas se propaguen por el núcleo de hierro. Del mismo modo, al mantener las láminas lo más finas posible, la resistividad del transformador se mantiene lo más baja posible.

Frenado por corrientes de Foucault

Este efecto de calentamiento no es el único fenómeno basado en las corrientes de Foucault que se ha aprovechado para producir tecnologías ingeniosas. Las corrientes de Foucault también pueden utilizarse para producir sistemas de frenado electromagnético, a menudo utilizados en trenes o carros de montañas rusas. La física que hay detrás de este frenado es realmente fascinante, pues se basa en la inducción de ida y vuelta de campos eléctricos y magnéticos.

Los frenos de corrientes de Foucault existen gracias a una ley del electromagnetismo conocida como ley de Lenz.

La ley de Lenz está contenida en la Ley de inducción de Faraday como el signo negativo dentro de la ecuación \[\mathcal{E}=-\frac{\mathrm{d}\Phi_B(t)}{\mathrm{d}t}].

Este signo negativo garantiza que la corriente se dirija de modo que el campo magnético producido por esta corriente actúe en contra del cambio inicial del flujo. Este campo magnético opuesto puede actuar como una fuerza mecánica, decelerando los objetos magnetizados.

Por ejemplo, si se deja caer un imán a través de una tubería de cobre, el cambio de flujo magnético crea corrientes parásitas en la tubería. Esta corriente produce entonces una fuerza magnética que actúa contra el flujo magnético cambiante, frenando la caída del imán. Este sencillo experimento puede realizarse en un laboratorio escolar, demostrando que el imán caerá notablemente más despacio a través de la tubería de cobre de lo que lo haría en caída libre.

Los frenos de corrientes parásitas funcionan teniendo un disco giratorio de metal conductor que se mueve a través de un campo magnético fijo. Como hemos visto, esto producirá corrientes parásitas en el disco giratorio. Gracias a la ley de Lenz, estas corrientes de Foucault producen campos magnéticos que se oponen a la rotación del disco y lo frenan, haciendo que la energía cinética del disco se disipe en forma de calor. Esta ingeniosa forma de rotura se utiliza a menudo en los carros de las montañas rusas para frenar suavemente los carros al final de la atracción. Sin embargo, como las corrientes de Foucault sólo pueden producirse cuando el disco está girando, los frenos de Foucault no pueden utilizarse para mantener parado un tren. Por lo general, entonces los frenos de Foucault se utilizarán con frenos mecánicos normales, sobre todo en los trenes.

Pruebas con corrientes parásitas

Las corrientes de Foucault también se utilizan habitualmente en los ensayos de materiales, donde pueden emplearse para buscar grietas o defectos. En los ensayos por corrientes de Foucault (ECT), se pasa una sonda electrificada compuesta por una bobina de alambre conductor sobre la superficie de un material conductor. El campo magnético creado por esta sonda electrificada crea entonces corrientes de Foucault en el material conductor; la medición de estas corrientes de Foucault indica la conductividad eléctrica y la permeabilidad magnética del material. Las fluctuaciones en la conductividad o permeabilidad del material a medida que la sonda se desplaza indican defectos o grietas en el material, que pueden ser demasiado pequeñas para verlas a simple vista. Debido a su naturaleza eléctrica, la TEC sólo puede realizarse en materiales conductores. La ECT es enormemente importante en la industria aeroespacial, donde la más pequeña de las grietas en la superficie de un avión puede convertirse rápidamente en desastrosa una vez a altas velocidades y altitudes.