Corriente de Foucault

Contador por corriente de Foucault

Las corrientes de Foucault son usadas para aumentar el efecto en convertidores de movimiento a electricidad como en los generadores eléctricos y los micrófonos dinámicos. También pueden ser usados para inducir un campo magnético en latas de aluminio, lo que permiten que estas sean fácilmente separables de otros elementos reciclables. Los superconductores permiten una conducción perfecta, sin pérdidas, que crean corrientes de Foucault iguales y opuestas al campo magnético externo, permitiendo de esta manera la levitación magnética. Por la misma razón, los campos magnéticos dentro de un medio superconductor serán exactamente cero, independientemente del campo externo aplicado.

Una de las aplicaciones prácticas de las corrientes de Foucault es la utilizada en los medidores de consumo eléctrico, donde el disco corta líneas de fuerza, al girar, accionado por el campo de un imán. Las corrientes, que se producen en el disco, generan una fuerza opuesta a la que acciona. Este frenado de corrientes de Foucault permite calibrar los contadores, modificando la posición del imán. Este mismo dispositivo sirve para el ajuste de fin de velocidad de los gira discos y el amortiguamiento de los instrumentos de medida.

Algunos tacómetros tienen un imán que gira a la velocidad que se trate de medir frente a un disco metálico móvil. Las acciones electromagnéticas, debidas a las corrientes de Foucault, lo accionan en sentido de rotación del imán. Gracias a un muelle de retorno, se consigue inmovilizar el disco en una posición de equilibrio, que es función de la velocidad del imán.

Las corrientes de Foucault se emplean aún en ensayos no destructivos para detectar discontinuidades superficiales y medir conductividad eléctrica en metales no magnéticos.

Las corrientes de Foucault son usadas para frenar al final de algunas montañas rusas. Este mecanismo no tiene ningún desgaste mecánico y produce una precisa fuerza de frenado. Típicamente, pesadas placas de cobre extendiéndose desde el carro son movidas entre pares de imanes permanentes muy potentes. La resistencia eléctrica entre las placas genera un efecto de arrastre análogo a la fricción, que disipa la energía cinética del carro.

Aunque la pérdida de energía útil resulta casi siempre indeseable, a veces tiene algunas aplicaciones prácticas. Una de ellas es en algunos trenes y vehículos pesados, como autocares y camiones, cuyos frenos se actúan a base de inducir corrientes de Foucault (electric retarder). Durante el frenado, el eje cardan está expuesto al campo magnético de un electroimán, que genera corrientes de Foucault en los núcleos y llantas de las ruedas. Las corrientes de Foucault encuentran resistencia mientras circulan a través del metal, y disipan energía en forma de calor, haciendo que las ruedas disminuyan su velocidad. Cuanto más rápido giren las ruedas, más fuerte será el efecto, resultando que a medida que el tren disminuye su velocidad, también lo hará la fuerza de frenado, consiguiéndose un frenado suave proporcional a la velocidad de las ruedas.

Si se coloca un disco de aluminio, que gira de forma libre, frente a un imán, el campo magnético producido por el imán reduce sensiblemente la velocidad de rotación del disco, es decir, produce un par de frenado proporcional a la velocidad del disco. Este efecto de frenado es también debido a las corrientes de Foucault, y se aplica en numerosos aparatos de medida, como por ejemplo, en los vatihorímetros o contadores de energía eléctrica. Hay que puntualizar que esta acción de frenado solo se manifiesta en planos perpendiculares a las líneas de inducción, ya que los circuitos abrazan la mayor parte del flujo, experimentando el máximo efecto de las variaciones cuando está de forma perpendicular.

Las corrientes de Foucault, como ya se ha comentado, tienen por efecto transformar parte de la energía en calor. Dicho calor producido en la masa metálica solo se utiliza en los hornos eléctricos de alta frecuencia, por lo que, en general, supone una pérdida de energía. Para el estudio de estas pérdidas, se considera a una chapa de longitud ${\displaystyle b}$, anchura ${\displaystyle x}$ y grosor ${\displaystyle a}$, sometida un campo variable de valor:

${\displaystyle B=B_{m}\sin wt\,\!}$

donde ω es la pulsación y B_m la inducción máxima.

En esta circunstancia el flujo a través de la superficie de dicha espira es:

${\displaystyle \Phi \ =BS\,\!}$

Donde S es la superficie que atraviesa el flujo, cuyo valor es

${\displaystyle S=2bx\,\!}$

Por lo tanto es posible escribir la ecuación anterior en la forma:

${\displaystyle \Phi \ =(B_{m}\sin wt)2bx\,\!}$

Por otra parte, se sabe que la fem inducida en la espira es:

${\displaystyle e(t)={d\Phi \ \over dt}}$

Derivando se tiene:

${\displaystyle e=(B_{m}w\cos wt)2bx\,\!}$

Si se toma en la chapa una espira diferencial, su resistencia será

${\displaystyle R=\rho {2b+2x \over adx}}$

y despreciando 2x frente a 2b, escribiremos:

${\displaystyle R\approx \rho {2b \over adx}}$

La potencia en la espira será,

${\displaystyle dP={E_{ef}^{2} \over R}}$

siendo E_ef la tensión eficaz, cuyo valor en función del máximo, E_m, es

${\displaystyle E_{ef}={E_{m} \over {\sqrt {2}}}}$

Por lo tanto la potencia perdida será:

${\displaystyle dP={B_{m}^{2}w^{2}4b^{2}x^{2} \over 2R}={adx \over \rho 4b}B_{m}^{2}w^{2}4b^{2}x^{2}}$

Y la potencia total perdida a consecuencia de las corrientes de Foucault:

${\displaystyle P=\int _{o}^{e \over 2}}$${\displaystyle dP={1 \over \rho }B_{m}^{2}.w^{2}b.a\left[{\frac {x^{3}}{3}}\right]^{e \over 2}}$

Si se reemplaza ahora ω por ${\displaystyle 2\pi f}$, se obtiene

${\displaystyle P={1 \over \rho }B_{m}^{2}4\pi ^{2}f^{2}ba{e^{3} \over 24}}$

o, lo que es lo mismo:

${\displaystyle P={1 \over \rho }B_{m}^{2}.4\pi ^{2}f^{2}bae{e^{2} \over 24}}$

en donde ${\displaystyle bae}$, es el volumen de la carga.

De todo lo expuesto se deduce que las pérdidas en vatios por metro cúbico debidas a las corrientes de Foucault serán:

${\displaystyle P={\pi ^{2} \over 6\rho }e^{2}B_{m}^{2}f^{2}}$

Dado el carácter perjudicial de las corrientes de Foucault, por los motivos ya apuntados, es necesario tomar las siguientes precauciones:

El uso de laminaciones en los núcleos magnéticos de los transformadores mejoran mucho la eficacia al minimizarse las corrientes de Foucault.

(Izquierda) Corriente de Foucault (I, en rojo) en un transformador sólido de hierro. (Derecha) En el caso de un transformador de hierro hecho de láminas finas paraleles al campo (B, verde), con aislante entre ellas, se reducen las corrientes de Foucault.

• todas las masas metálicas sometidas a variaciones de inducción deben ser laminadas y colocadas en paquetes paralelos. De esta forma se evita el recorrido de las corrientes de Foucault engendradas en planos perpendiculares a los flujos;

• los remaches y tornillos que unen las chapas no deben cerrar circuitos conductores que abracen flujo variable;

• los soportes metálicos de las bobinas han de ser cortados por medio de una incisión paralela a las líneas de inducción, o bien utilizar sustancias no conductoras.