Electroimán y electromotor

De Física Itinerante
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Ficha del experimento
Autor(es) original(es) Tatiana Tapia
Área(s) abarcadas Electromagnetismo
Nivel de enseñanza Sexto Básico, Octavo Básico, Cuarto Medio
Contenido curricular abordado
* Sexto Básico

Unidad 2. Fuerza y movimiento: energía eléctrica.

  • Octavo Básico

Fuerza y movimiento: fenómenos eléctricos.

  • Cuarto medio

Fuerza y movimiento: electromagnetismo

El siguiente experimento busca introducir a los estudiantes en la teoría del electromagnetismo, de modo que con un experimento simple sean capaces de reconocer la relación entre campos eléctricos y campos magnéticos. Serán capaces de manejar conceptos como: campo eléctrico, imán y momento magnético. El experimento del electroimán consiste en un un cable que ha sido enrollado a lo largo de un clavo, con la ayuda de una batería se hace circular la corriente a través del cable. Por otro lado, el electromotor consiste en una batería a la que se le adhiere un imán y un cable conecta una terminal de imán con una terminal de la batería. Todos los materiales son de fácil acceso y relatívamente económicos.

Mapa de conceptos

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electrones [label="electrones moviéndose"] atraeorepele [label="atrae o repele"] otrosimanes [label="otros imanes"]

electroimán -- electricidad electroimán -- imán electricidad -- electrones electricidad -- conductor imán -- atraeorepele atraeorepeele -- otrosimanes atraeorepele -- metales otrosimanes -- polos } </graphviz>


Introducción

En el mundo actual el uso de los imanes, o bien campos magnéticos, es bastante extenso pero puede pasar inadvertido para los estudiantes. Todos hemos tenido la oportunidad de jugar con los típicos imanes decorativos que se utilizan en los refrigeradores, pero nos hemos preguntado ¿de qué material están hechos?, ¿los puedo encontrar de otros materiales?, ¿qué propiedad los puede hacer más o menos ``potentes``?, ¿de qué manera interactúan con los objetos?. Es importante que los alumnos logren comprender en una primera instancia de manera cualitativa lo que significa hablar de imanes y campos magnéticos; y cómo éstos se pueden relacionar con campos eléctricos. Lograr manejar conceptos como: corriente eléctrica, portadores de carga, aislantes, momento magnético, inducción magnética, permeabilidad magnética, materiales ferromagnéticos e histéresis.

En resumen la teoría electromagnética representa una gran base a lo que constituye la tecnología de hoy en día, por lo que es necesario partir de las bases comprendiendo estos conceptos y las utilidades que tienen. Para poder lograr apreciar estos fenómenos de la naturaleza basta tener ciertos elementos muy asequibles que de manera muy clara podrán ilustrar estos conceptos.

Carga. La carga es una propiedad fundamental de la materia, que está ligada a las fuerzas eléctricas y magnéticas, y es medida en coulombs (C). Todo, en el fondo, posee carga, pero los portadores de carga más relevantes para nuestro trabajo serán los electrones: Ellos poseen esta propiedad que justamente los hace moverse a través de los cables. Pero... ¿cómo? Gracias a la diferencia de potencial.

Diferencia de potencial (eléctrico). Tal como un objeto con masa (otra propiedad fundamental de la materia) tiende a caer desde lugares más altos (que son llamados lugares con mayor potencial gravitatorio) hasta lugares más bajos (que son llamados lugares con menor potencial gravitatorio) debido a la gravedad (que formalmente se dice que es por causa de la diferencia de energía potencial gravitatoria), un objeto con carga tiende a caer desde lugares de ``mayor potencial eléctrico’’ hacia lugares de ``menor potencial eléctrico’’: Por lo tanto, si hay una diferencia de potencial, entonces existirá movimiento. ¿Qué entrega diferencias de potencial? ¡Las baterías! La unidad de medida de la diferencia de potencial es el volt (V): a mayor diferencia de potencial, mayor movimiento.

Corriente. La corriente eléctrica es un medidor de cuánta carga está fluyendo a través de cierto material por unidad de tiempo. Ésta se mide en ampere (A), que es igual a cuántos coulombs por segundo (C/s) fluyen en nuestro material.

Resistencia. La resistencia es una medida de ``cuánto le cuesta a una carga pasar a través de un material’’. La unidad de medida es el ohm. A mayor resistencia, más le costará a las cargas pasar a través del material pues varias chocarán en contra del mismo y sólo algunas cargas podrán pasar a través de él. Esto produce un efecto importante, puesto que si chocan contra el material... ¡debiése aparecer energía de alguna manera en el mismo!

Aislante eléctrico. Corresponde a un material que tiene la propiedad de evitar el paso de la corriente. A diferencia de un material conductor, el aislante tiene una gran resistencia, por lo que los portadores de carga no se pueden mover a través de él y producir una corriente eléctrica.

Permeabilidad magnética. En el caso de campos magnéticos, no tenemos un aislante. Esto es porque hasta el día de hoy no se conocen ``portadores’’ de campo magnético. Ahora bien distintos materiales pueden disminuir o aumentar en cierta medida la intensidad de un campo magnético, esta propiedad que determina cómo variará el campo magnético se llama permeabilidad del medio y es una propiedad del material. Esta es una propiedad macroscópica que se puede relacionar con cantidades microscópicas, como veremos en el momento magnético.

Momento magnético. Es una propiedad que poseen los materiales a nivel microscópico, es decir, al nivel de las moléculas que lo componen. El momento magnético lo podemos pensar como una dirección, o bien una flecha. Esta flecha apuntará en cierto sentido, que será la orientación del momento magnético. Por convención llamaremos Norte a la punta de la flecha y Sur a la base de la flecha. Esta característica es intrínseca a cada partícula componente (electrones, protones, neutrones) y por ende a las moléculas que formen el material.

Imán. Un imán corresponde a un material capaz de atraer a otros metales y su nombre viene del francés aimnat, que significa amante. Como ya vimos que microscópicamente cada molécula posee un momento magnético (el que nos indica una dirección y una magnitud del campo magnético) en un imán encontraremos que todos los momentos magnéticos se encuentran apuntando en la misma dirección. Estamos diciendo que los momentos magnéticos se encuentran alineados. Cuando sucede esto observaremos cómo toda la fuerza se ejerce en un mismo sentido y se potencia. Todos los ``nortes’’ están hacia un lado y todos los ``sur’’ están hacia el otro, por este motivo es que encontramos dos polos en un imán. Sabemos que si tenemos dos imanes, los polos opuestos se atraerán y los polos iguales se repelerán. Ahora podemos darnos cuenta que sí podemos tener variedad de imanes, ya sea cuan potentes sean (que tan intenso sea el campo magnético que generen) o el material del que estén hechos.

Inducción electromagnética. Como podrás ver en este experimento, la electricidad y el magnetismo se encuentran estrechamente relacionados. Sucede que por un lado los imanes, que poseen un campo magnético son capaces de ejercer una fuerza sobre los portadores de carga y lograr que se muevan. Como ya sabemos que cuando existe movimiento de portadores de carga estamos en presencia de una corriente eléctrica, es así como podemos generar una corriente con inducción magnética. De un modo similar, podemos lograr un campo magnético a partir de una corriente (portadores de carga en movimiento), esta corriente inducirá un campo magnético en el espacio.

Tipos de materiales. Como ya hemos visto los materiales son capaces de afectar un campo magnético de acuerdo a propiedades intrínsecas que éstos posean. Actualmente se conoce que existen tres tipos de materiales: ferromagnéticos, diamagnéticos y paramagnéticos.

Materiales Ferromagnéticos. Este tipo de materiales posee un ordenamiento importante de los momentos magnéticos de sus moléculas, es por este motivo que la mayoría de los imanes que conocemos están hechos de materiales ferromagnéticos. Ejemplos de materiales ferromagnéticos son: fierro, cobalto y níquel, por nombrar algunos. La gran gracia que tienen los materiales ferromagnéticos es que el ordenamiento de sus dipolos magnéticos se mantienen por periodos prolongados de tiempo, o podemos decirlo coloquialmente que los materiales ferromagnéticos son capaces de ``acordarse’’ de que son imanes.

Histéresis. Se refiere a la capcidad de mantener una propiedad sin estímulo externo. Es por esto que los materiales ferromagnéticos poseen histéresis, ya que son capaces de mantener ordenados los momentos magéticos.

Materiales Paramagnéticos. Corresponde a materiales que, en presencia de un campo magnético externo, son capaces de ordenar los momentos magnéticos. A diferencia de los materiales ferromagnéticos, una vez alejados del campo magnético externo, vuelven a desordenarse los momentos magnéticos.

Materiales Diamagnéticos. Otra clasificación, que se refiere a materiales que son repelidos por los imanes (por ambos polos). Estos materiales son capaces de ordenar sus momentos magnéticos a modo de ``espejo’’ con el imán con que se estén enfrentando. Es por esto que siempre se repelerán, ya que este material creará un polo igual y logrará la repulsión. A modo de ejemplo materiales diamagnéticos son: grafito, silicio y germanio por nombrar algunos..

Procedimiento de armado del experimento

Material Precio Unitario Cantidad Precio Total Referencia
Batería AA $530 1 $530 Casa Royal
Metro de Cable $100 1 $100 Homecenter Sodimac
Caja de clips redondos $240 1 $240 Libreria Nacional
Huincha aisladora $690 1 $690 Homecenter Sodimac
Clavos (pack de clavos) $1.390 1 $1.390 Homecenter Sodimac
Figura 2.1: Cable enrrollándose alrededor del clavo.
Figura 2.2: Electroimán terminado con extremos libres para poner en la pila
Figura 2.3: Electroimán en acción.

Para el procedimiento de armado del electroimán necesitaremos de un alicate. El procedimiento de construcción del Electroimán es el siguiente:

Enrollar el cable alrededor del clavo, de modo que queden dos extremos libres, tal como se muestra en las Figuras 2.1 y 2.2. Cuidar que quede aproximadamente 1 cm de clavo sin cubrir.

Dejar ambos extremos del cable apuntando en la misma dirección y pelar sus extremos, tal como se indica en la Figura 2.2.

Conectar la batería a los extremos del cable y asegurarlos con huincha aisladora o con los dedos, tal como se muestra en la Figura 2.3.

Acerque el electroimán a los clips: ¡usted ha creado un imán!

Para poder experimentar, la idea es fabricar varios electroimanes, con distintos números de vueltas del cable. Otro factor que se puede alterar para estudiar el funcionamiento del electroimán es utilizar baterías con distintas potencias. También podemos trabajar con clavos de distintos materiales.

Otra opción de armado puede significar incluir un porta batería y un interruptor para hacer más cómodo el uso del electroimán.

Material Precio Unitario Cantidad Precio Total Referencia
Imán de Neodimio (12mm diámetro y 3 mm de espesor) $2.290 1 $2.290 La casa del imán
Pila AA $550 1 $550 Casa Royal
Alambre de Cobre $1.000 1 $1.000 Easy
Figura 2.4: Elementos a usar en la construcción del electromotor.
Figura 2.5: (Izquierda) Unión de la pila con el imán. (Derecha) Forma helocoidal del cable.

Para armar el electromotor necesitas los materiales listados en la Tabla 2.2 y mostrados en la Figura 2.4. Además, necesitarás una herramienta para cortar (corta cartón o tijeras).

Unir el imán con la pila, colocar el imán en un terminal de la pila.

Moldear el cable a una forma de helicoide, como se muestra en la Figura 2.5, asegurándose que las puntas del cable puedan hacer contacto con el imán y el terminal libre de la pila. También es importante que el cable pueda rotar fácilmente, es decir, que tenga una forma uniforme y no roce con la pila al girar.

Dependiento del tipo de cable o alambre que se haya utilizado para la fabricación de este experimento, hay que recordar que los extremos deben estar libres. Si se utilizó un alambre esmaltado hay que lijarlos o si se utiliza un cable, hay que pelar los extremos.

Preguntas con respuestas

Pregunta 1. ¿Por qué no se remueve el aislante a todo el cable conductor?

Porque queremos mostrar que la corriente induce un campo magnético en el clavo, es decir, que no es necesario que fluya corriente a través del clavo. Es más, si removiéramos todo el aislante, sentiríamos la corriente en la superficie de nuestras manos al manipular el electroimán, lo que es potencialmente desagradable y/o peligroso.

Pregunta 2. ¿Por qué cuando quito la pila, no se caen todos los clips?

Dependiendo del tipo de clavo que estemos utilizando, los clips podrán permanecer atraídos hacia el clavo (electroimán) por cierto período de tiempo. Esto estará directamente relacionado con una propiedad del material. Si es de un material ferromagnético, los clips u otros elementos podrán permanecer por más tiempo debido a la histéresis de los materiales ferromagnéticos. Importante recalcar que al quitar la pila, la corriente deja de circular instantáneamente por el cable.

Pregunta 3. ¿Si no pongo el clavo en el centro, el experimento funcionaría igual?

En teoría, si se saca el clavo debería formarse un “imán casero” también, aunque mucho menos potente (en el común de los casos, decenas de veces menos potente). Sucede que, como veremos, los campos magnéticos son formados por campos eléctricos en movimiento. En nuestro caso, las cargas que se mueven en el cable generan justamente este campo eléctrico en movimiento, lo que crea justamente un campo magnético. Aún así, dentro del clave hay muchos átomos y moléculas en las que también existen cargas en movimiento.

Al sentir estas cargas en movimiento el campo magnético externo, estas se alinean con el mismo. Esto provoca que, justamente, nuestro imán sea más potente aún: todo gracias al material del clavo.

Ecuaciones relevantes para los experimentos

Lo más importante es comprender cualitativamente el electroimán, ecuaciones relevantes para los estudiantes de enseñanza media son:

El campo magnético al interior de un solenoide está dado por :

Donde es la permeabilidad del material ocupado, n el número de vueltas por unidad de longitud (propiedad que pueden calcular experimentalmente los alumnos) e I corresponde a la intensidad de corriente que circula por el conductor.

La dirección de este campo magnético se puede encontrar según la regla de la mano derecha: con nuestros dedos de la mano derecha apuntamos en la dirección de la corriente y nuestro dedo pulgar nos dirá hacia dónde va el campo magnético.

Para el caso del electromotor, es importante obtener la fuerza ejercida sobre una partícula de carga q que se encuentra en un campo magnético B, pues justamente lo que le sucede a las cargas que fluyen en el cable del electromotor es ser perturbadas por dicho campo magnético. Esta fuerza se define como:

Donde v es la velocidad, B el campo magnético y q la carga de la partícula. Para encontra la dirección de dicha fuerza, usamos la regla de la mano derecha: apuntamos con los dedos de la mano derecha hacia el primer vector (de la velocidad), luego giramos la mano hacia el vector del campo magnético y el dedo pulgar nos indicará la fuerza que siente dicha partícula. Nótese que si la carga es negativa, entonces la dirección será la contraria al dedo pulgar.

Para simplificar los cálculos, se puede determinar el módulo (magnitud) de la fuerza como:

Donde el ángulo theta es el ángulo entre la velocidad y el campo magnético.

Extensiones del experimento

Para el experimento del electroimán, como ya hemos mencionado, los parámetros del experimento que podemos variar son los siguientes: el número de vueltas del conductor alrededor del clavo, de esta manera podemos estudiar cualitativamente, y cuantitativamente si se quiere, el campo magnético de un solenoide. También se puede variar la batería, de este modo podemos generar corrientes de distintas intensidades a través del conductor y ver cómo afecta en el campo magnético inducido.

Por otro lado se puede trabajar con clavos de distintos materiales para estudiar las diferencias entre ellos.

Por último se puede trabajar con otros cables conductores (distintas resistencias) que implicarán distintas corrientes.

También puede armarse una pequeña bobina para ver el efecto que tiene el clavo en la formación del campo magnético. Lo que se hace es enrollar alambre alrededor de un tubo de algún material (PVC, preferentemente), en donde además se le agrega un alfiler que pueda colgar con un hilo por dentro, que este imantado (se puede imantar un alfiler con el electroimán, por ejemplo). Al conectar una pila a los terminales de esta bobina, se podrá ver que el alfiler se orienta justamente con el campo magnético, probando entonces que la dirección del campo magnético sigue la regla de la mano derecha.

Para el experimento del electromotor, as variables del experimento que se pueden variar son: la pila que se utiliza, de modo de crear distintas intensidades de corriente y observar como puede modificar el movimiento del cable.

También se puede modificar el tipo de imán que se utiliza, a modo de variar el campo magnético al que son sometidos los electrones.

Por otro lado también se pueden variar las formas en las que se coloca el cable, para notar que la forma del cable no determina si se mueve o no, sin embargo algunas formas permiten mayor movilidad que otras.