Resumen

Mediante dos principios básicos que son la electricidad y el magnetismo demostraremos la generación de un electroimán mediante la corriente eléctrica de una pila y un alambre en forma de bobina. Permitiendo el movimiento de varios imanes unidos a la batería a través del alambre embobinado (dentro de una espiral de alambre).

La atracción y repulsión del electroimán (alambre en espiral y batería) y los imanes unidos a la pila generan energía mecánica.

Energía eléctrica + Bobina = Electroimán à Imán (Contra) Imán à Movimiento

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Antecedentes

La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y está hecha de átomos. El átomo está formado de un núcleo y un espacio externo donde se encuentran de uno a siete niveles energéticos.

En el núcleo se encuentran los protones y neutrones, los primeros tienen carga tienen carga eléctrica positiva y los segundos tienen carga tanto negativa como positiva lo cual lo hace neutros.

En los niveles energéticos se encuentran los electrones cuya carga es totalmente negativa. Las cargas eléctricas ejercen fuerzas de atracción o repulsión entre ellas. Las cargas eléctricas que son iguales se repelen; las cargas contrarias se atraen.

Un imán siempre tiene un polo norte y otro sur.  Si se rompe un imán por la mitad, las dos

mitades crearán nuevos polos de tal manera que cada imán todavía tiene un polo norte y un polo sur.

Los polos opuestos Norte y Sur se atraen entre sí y los polos iguales (N-N y S-S) se repelen. De lo anterior concluimos que un imán lo puedes dividir y dividir y siempre tendrás un imán; además, el polo norte siempre estará acompañado del polo sur.

La corriente eléctrica es el flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. Una carga eléctrica en movimiento produce un campo magnético, con lo cual podemos decir que una corriente eléctrica también produce un campo magnético. La relación entre la electricidad y el magnetismo se puede resumir como:

• La circulación de cargas eléctricas a través de un conductor es lo que se conoce como corriente eléctrica.
• La corriente eléctrica se produce cuando hay una diferencia de potencial (voltaje).
• Las cargas eléctricas en movimiento producen un campo magnético
• Cuando hay una corriente eléctrica es porque hay una circulación de cargas, es decir cargas en movimiento. Por tanto, una corriente eléctrica produce a su alrededor un campo magnético
• Cuanto más grande es la corriente eléctrica, mayor es el campo magnético.
• Cuanto más grande es la diferencia de potencial (voltaje), mayores son la corriente eléctrica y el campo magnético.
• Cuanto mayor en la resistencia del material, menores son la corriente eléctrica y el campo magnético.

Michael Faraday  y Henry descubrieron que puede producirse una corriente eléctrica en un alambre cuando se mueve un imán dentro de una espira de alambre, a ésta última se le conoce como bobina.  Una bobina es un alambre enredado en forma cilíndrica y hay diferentes tipos de bobinas como se muestra en la figura 4.

El movimiento del imán dentro del alambre induce una corriente y ésta produce un voltaje; la cantidad de voltaje inducido depende del número de espiras que tiene el alambre. Una bobina con el doble de espiras induce el doble de voltaje. Con diez veces más espirales se inducirá diez veces más el voltaje.

Pareciera que se obtiene mayor cantidad de energía con tan solo aumentar el número de espirales en la bobina, pero esto no es así. Resulta que a mayor número de espiras se hace más trabajo para empujar el imán y por lo tanto se dificulta su movimiento.

A la producción de corriente eléctrica mediante el uso de campos magnéticos se le llama Inducción Electromagnética.

Objetivo

Construir un auto que se mueva mediante el uso de una bobina, batería e imanes, para demostrar experimentalmente la Aplicación del Electromagnetismo a estudiantes de Nivel Básico

Justificación

La interacción entre las cargas eléctricas en movimiento y el campo magnético resulta difícil de comprender. La demostración experimental y con sustento teórico tiene, por lo menos, tres ventajas:

• Facilita el aprendizaje de conocimientos sobre el tema del electromagnetismo
• Resulta divertido el trabajo
• Genera curiosidad por conocer más sobre el tema y sus aplicaciones
• Fomenta la creatividad del alumno

Hipótesis

Una corriente que fluye a través de un conductor establece un campo magnético alrededor del conductor. Por lo tanto, el imán (camuflado como carrito)  se desplazará dentro de la bobina.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales:

• 6 imanes de neodimio de

10 mm x 3 mm

• 1 kg de alambre de cobre cal. 20 (0.89 mm de diámetro), sin esmalte, no magnetizado.
• 1 pila alcalina 1.5 V tamaño AA
• 1 tubo de PVC 50 cm de largo y 1.5 cm  de diámetro
• Guantes de carnaza
• Cinta adhesiva
• Cortador es de alambre
• Alicates pequeños
• Un trozo de foami

Procedimiento Experimental:

Construcción de la autopista:

Debido a la longitud de la pista, ésta se hizo por partes. Al tubo de PVC se le hace una muesca en un extremo  en el cual se atora el alambre de cobre, y el mismo se empieza a enredar  alrededor del tubo de PVC, cada asa debe quedar muy  junta de la siguiente asa, pero no debe apretarse (Fig. 5, 6, 7).

Se debe tener cuidado de no hacer espirales apretados, con muy pocos espacios entre las espirales y con los hilos de alambre superpuestos.  Sí así fuera, la bobina no funcionará al 100 %

Fig. 7. Se muestra la distancia que hay entre las asas de a la bobina

Una vez que se tiene avanzado la bobina se empieza a rodar la varilla sobre el alambre para enredar el alambre en el tubo, cuando todo el tubo ha quedado embobinado se extrae el solenoide y tenemos hecha una parte de la pista (Figura 8)

El número de bobinas a construir depende del tamaño de la pista, la autopista de este experimento tiene 6 bobinas, los que se unieron entre con el alambre de sus extremos, cuidando que la unión no ocupe mucho espacio del interior de la pista, para evitar que obstruya o dificulte el paso del auto.

Construcción del auto:

A la batería triple A, se le pegan tres imanes en la parte anterior y tres en la parte posterior. Uno de los extremos tiene una saliente, lo que dificulta que los imanes queden fijos. Para superar esta situación se hace lo siguiente:

• Se perfora un pedacito de foami, se usa el círculo sobrante al cual se le hace un pequeño (muy pequeño) corte.
• El pequeño círculo perforado se inserta en el extremo saliente de la batería triple A y el material sobrante del pequeño corte se retira con tus alicates.
• En la cara externa del círculo perforado se fijan las tres baterías restantes (Fig. 9).

En el papel de China de dibujan las partes laterales de un carrito y se pega con la cinta adhesiva o diurex a cada uno de los lados de la pila.

Análisis del Costo Beneficio:

El costo de los materiales en este experimento fue de $ 975.00 y el gasto se concentró en la compra de alambre de cobre, los imanes y la batería. El resto del material fue proporcionado por el laboratorio de electrónica que tiene el Ing. Ríos, Padre de familia de uno de los concursantes. El prototipo se queda en el laboratorio de la escuela. Los beneficios obtenidos son:

• Facilita el aprendizaje  de conocimientos sobre el tema de Inducción electromagnética
• El trabajo escolar resulta divertido
• Genera curiosidad por conocer más sobre el tema y sus aplicaciones
• Fomento la creatividad de los estudiantes

Resultados

Al introducirse el carrito a la pista, éste se desplaza

Discusión

Los principios físicos con los que se explica el desplazamiento del carrito dentro la bobina son el electromagnetismo y el magnetismo.

El primero es el campo magnético que se produce en la bobina. Una bobina es alambre envuelto en una forma de hélice apretada como se demuestra por las líneas blancas en la Figura 11.

Cuando la bobina está conectado a una fuente de tensión, una corriente se proporciona a lo largo del alambre. La corriente, que va a través de este alambre circular enrollado, resulta en un campo magnético (ideal) uniforme y constante a través del centro de la bobina de alambre. De esta manera para realizar el carrito electromagnético se utilizó, al principio un cable en forma de bobina y una batería unida a 6 imanes, 3 de cada lado ubicados como se muestra en la figura 12

Fig. 12. Bobina y Pila con imanes.

Cada grupo de imanes tiene un polo positivo y negativo (norte y sur) expresados en la figura anterior con color rojo y con la letra “N” los positivos y con verde y la letra “S” los negativos, figura 13

Fig. 13. Generación del electroimán.

Si unimos el cable embobinado con la pila o batería este cable se convierte en un imán electromagnético, un imán más potente que los imanes unidos a la batería, un imán que también tiene un polo positivo y uno negativo como se muestra en la figura 14

Fig. 14. Pila dentro de la bobina.

Al colocar la batería en el interior de la bobina la conexión entre los dos objetos no se rompe y la energía fluye a través del cable como se muestra con la línea roja de la  figura15.

Fig. 15. Electroimán e imanes en interacción.

El electro magneto formado con la batería y el cable está en interrelación directa con los imanes pequeños de la batería. En la  figura 16, se observa que en  la parte izquierda del dibujo existe una interrelación entre el polo norte o positivo, de los imanes de la batería y el polo sur o negativo del electroimán

Fig. 16. Electroimán e imán con polos opuestos.

Ya que polos diferentes u opuestos se atraen, esta interrelación genera movimiento (energía cinética) de atracción, debido a que el electro imán es más grande que los imanes pequeños, la pila es atraída hacia la derecha como se muestra en la figura 17.

Fig. 17. Energía de atracción.

Al observar el lado opuesto de la figura es posible notar que la que polos son iguales y como se vio con anterioridad estos, se rechazan, esta interrelación genera movimiento (energía cinética) de empuje, debido a que el electroimán es más grande que los imanes pequeños, la pila es empujada hacia la derecha, como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 18. Energía de repulsión y movimiento.

La acción de atracción y repulsión o empuje, combinadas, maximizan el movimiento (energía cinética) y permiten el aumento de velocidad en el movimiento del carrito electromagnético

Si se cambiaran alguna de las polaridades de las baterías pequeñas dándole vuelta a alguna de ellas las fuerzas de atracción y repulsión se contrarrestaría provocando que la batería junto con el carrito electromagnético solo flotasen. Figura 19.

Galería Método

Resultados

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Conclusiones

• Al pasar corriente eléctrica por una bobina se genera un electro imán.
• Los polos opuestos de un imán y electroimán se atraen.
• Los polos iguales de un imán y electroimán se repelen.
• El electromagnetismo y el magnetismo generan movimiento.
• El movimiento que se genera por la energía electromagnética tiene aplicaciones prácticas.

Bibliografía

Bibliografía

• Tippens, Paul E. 2011. FÍSICA: Conceptos y aplicaciones. McGraw Hill, Co.México

Ciberbibliografía

• http://hyperphysics.phy–‐

astr.gsu.edu/hbase/magnetic/soleno

id.html

• http://thekidshouldseethis.com/post/how–‐to–‐make–‐the–‐worlds–‐simplest–‐electric–‐toy–‐train
• http://science.howstuffworks.com/magnet3.htm
• http://science.howstuffworks.com/electromagnet1.htm

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography