Si dejas caer un imán potente de neodimio dentro de un tubo de cobre, ocurre algo curioso. Aunque el cobre es un metal que no se adhiere a los imanes, el imán desciende lentamente, como si atravesara miel. Es como si algo invisible lo retuviera. Ese efecto se debe a las corrientes de Foucault (Eddy Current).
Dicho de forma sencilla, una corriente de Foucault es una corriente eléctrica que se forma en remolinos dentro de un conductor, como un metal, cuando cambia el campo magnético. Se conocen también como corrientes de remolino, por analogía con los remolinos que se forman cuando el agua rodea una roca. El nombre de corrientes de Foucault viene del físico francés que estudió a fondo este fenómeno.
Veremos cómo se forman las corrientes de Foucault, qué problemas causan en los transformadores y cómo se aprovechan en los frenos, la cocina por inducción y la inspección de metales.
Remolinos eléctricos en los metales, cómo se forman las corrientes de Foucault y para qué sirven
¿Qué son las corrientes de Foucault?
Cuando cambia el campo magnético alrededor de un conductor, se genera en él una fuerza electromotriz inducida que impulsa las cargas eléctricas. Es el fenómeno de la inducción electromagnética que Michael Faraday descubrió en 1831. En un cable, la corriente seguiría un trayecto definido. En una placa ancha o un bloque de metal, la corriente circula en pequeños bucles sin seguir un trayecto preestablecido. Estas corrientes que circulan en el interior del metal son las corrientes de Foucault.
Las corrientes de Foucault aparecen cuando un imán se mueve cerca de un metal, cuando un metal atraviesa un campo magnético o cuando la intensidad del campo magnético cambia continuamente, como sucede con la corriente alterna. Cuanto más intenso es el campo, más rápido cambia y mejor conduce la electricidad el metal, más intensas son las corrientes.
Para entenderlo, imagina que introduces una vara en un estanque tranquilo y agitas el agua. Por donde pasa la vara se forman pequeños remolinos y el agua ofrece resistencia al movimiento de la vara. En el metal, el campo magnético variable agita los electrones como la vara agita el agua. Los electrones forman remolinos que, a su vez, frenan el movimiento del imán.
En 1824, el francés François Arago observó por primera vez que una placa de cobre en rotación arrastraba la aguja de una brújula cercana. Más adelante, en 1855, Léon Foucault comprobó que, al hacer girar un disco de cobre entre imanes, costaba mucho más girarlo y el disco se calentaba.
La ley de Lenz y la fuerza que se opone al cambio
El sentido en que circulan las corrientes de Foucault sigue una regla precisa. Es la ley de Lenz, formulada en 1834 por Heinrich Lenz, físico que trabajó en el Imperio ruso.
- Según la ley de Lenz (Lenz's Law), la corriente inducida circula en el sentido que se opone a la variación del campo magnético que la generó.
- Como resultado, entre el imán y el metal surge una fuerza de arrastre (Drag Force) que frena su movimiento relativo.
- En el calentamiento por efecto Joule (Joule Heating), la resistencia del metal hace que la energía de la corriente se transforme en calor.
El imán dentro del tubo de cobre se explica del mismo modo. Al caer, el campo magnético aumenta en la pared del tubo por debajo del imán y disminuye por encima. Entonces se generan corrientes de Foucault en la pared del tubo, de modo que la parte inferior repele el imán y la superior lo atrae. La energía cinética del imán termina disipándose en forma de calor, que calienta muy ligeramente el tubo, y el imán cae despacio. Si se introduce el mismo imán en un tubo de plástico, la corriente no puede circular y el imán cae de golpe.
Cuando las corrientes de Foucault causan problemas
Las corrientes de Foucault pueden causar problemas. Los transformadores, motores eléctricos y generadores contienen núcleos de hierro en los que el campo magnético cambia continuamente debido a la corriente alterna. Si el núcleo fuera de una sola pieza, en su interior circularían corrientes de Foucault intensas que disiparían energía eléctrica en forma de calor y calentarían la máquina. Estas se conocen como pérdidas por corrientes de Foucault.
(1) Cortar en láminas delgadas y apilarlas
Por eso, los núcleos de los transformadores se fabrican apilando varias láminas delgadas de acero al silicio recubiertas con una película aislante. Como la corriente no puede pasar de una lámina a otra, los remolinos se dividen en otros más pequeños y las pérdidas disminuyen considerablemente. En teoría, las pérdidas por corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado del espesor de las láminas. Por tanto, si se reduce el espesor a la mitad, las pérdidas se reducen a aproximadamente 1/4 de su valor original. Por eso, las láminas de acero de los transformadores son mucho más delgadas que 1 milímetro.
(2) Usar materiales que conduzcan mal la electricidad
En los dispositivos electrónicos que funcionan a frecuencias altas, se fabrican los núcleos con materiales como la ferrita, que se magnetizan con facilidad y conducen mal la electricidad, para impedir que se formen corrientes de Foucault. Como las pérdidas por estas corrientes aumentan rápidamente con la frecuencia, la elección de estos materiales cobra más importancia cuanto mayor es la frecuencia de funcionamiento del dispositivo.
Tecnologías que aprovechan las corrientes de Foucault
Muchas tecnologías aprovechan la fuerza de arrastre y el calor que generan las corrientes de Foucault.
(1) Frenos sin contacto
Los frenos de corrientes de Foucault reducen la velocidad haciendo pasar una placa metálica entre imanes. Como funcionan sin fricción, casi no hay piezas que se desgasten. Se usan en montañas rusas, en algunos trenes de alta velocidad, como frenos auxiliares de camiones grandes y para detener rápidamente el disco de las sierras circulares eléctricas. La fuerza de frenado disminuye a medida que baja la velocidad y no puede mantener inmóvil un objeto ya detenido, por lo que se usan junto con frenos de fricción.
(2) Inducción para calentar la olla directamente
Una placa de inducción hace pasar por una bobina una corriente que varía rápidamente y genera corrientes de Foucault en el fondo de la olla. Así, la propia olla se calienta sin llama. Por eso funcionan bien las ollas con un fondo de un material al que se adhieren los imanes, como el hierro.
(3) Detección y clasificación de metales
Las máquinas expendedoras detectan las monedas falsas según cuánto se ralentizan al rodar junto a un imán, y las plantas de reciclaje usan las corrientes de Foucault para expulsar las latas de aluminio y separarlas de los demás residuos. La inspección por corrientes de Foucault, que permite detectar grietas diminutas en alas de avión o tuberías sin desmontarlas, se basa en el mismo principio. Si hay una grieta en el metal, esta interrumpe el recorrido de los remolinos y altera el flujo de la corriente. El equipo de inspección detecta esa pequeña variación.
(4) Sensores para medir vibraciones
Junto a los ejes que giran a gran velocidad, como los de las turbinas de una central eléctrica, se instalan sensores de proximidad que utilizan corrientes de Foucault. Basta una ligera variación de la distancia entre el eje y el sensor para que cambie la intensidad de esas corrientes. Así se pueden monitorear sin contacto vibraciones tan pequeñas como las del orden de 0.1 milímetros.
Las corrientes de Foucault son una pequeña forma de resistencia del metal frente a un campo magnético variable. En las máquinas pueden causar pérdidas de energía. Entender cómo se producen permite aprovecharlas para crear frenos que no se desgastan, cocinar con rapidez y realizar inspecciones precisas.
El primer paso para aprender la física de la vida cotidiana es entender cómo actúan las fuerzas invisibles y decidir con criterio cuándo contrarrestarlas y cuándo aprovecharlas.
