Diez pruebas con magnetismo

 

Siguiendo la serie diez pruebas con… esta vez vamos con el magnetismo, he tratado de elegir pruebas sencilla y llamativas para que se puedan reproducir en cualquier aula.

Para hacer estos experimentos necesitaremos imanes que podremos obtener de parlantes o altavoces son del tipo cerámicos, también podemos conseguir en los magnetrones de los microondas hermosos y potentes imanes toroidales y otros imanes distintos de mucha potencia que sacaremos de discos duros rotos, son imanes de neodimio, en las imágenes esta señalado donde sacarlos.

También necesitaremos, una brújula, alambre esmaltado fino, leds, algunas pilas, hay algunas pruebas que requieren una fuente de alimentación variable.

Un poco de teoría:

Que es el magnetismo?

Es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influídos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. El hecho es que en estos materiales llamados imanes los electrones de los átomos están ordenados en la misma dirección creando la fuerza magnética.

Los imanes tienen dos polos que son inseparables, no podemos aislar un polo, si partimos un imán cada parte del mismo tendrá su polo norte y sur.

La tierra en si, al tener un núcleo de hierro girando en su interior se comporta como un imán gigante, si suspendemos con un hilo un imán se orientará siempre en la misma forma, esto es una brújula, el polo norte de la brújula indica el norte de ese gran imán.

Así podremos saber también los polos de nuestros imanes, el polo norte de la brújula indicará el norte del imán que acercamos.

Prueba Nro 1 Los campos magnéticos.

En la región que rodea a un imán o a una bobina recorrida por una corriente eléctrica, existe un campo magnético que puede ser representado por líneas de flujo magnético, estas líneas no tienen origen ni punto final, existen en lazos cerrados.

Para visualizarlas usaremos una caja transparente de CD a la que le agregaremos limadura de hierro (Conviene pasar esa viruta de hierro por un colador para que quede bien fina y homogenea)

Distintos campos según la forma del imán

Campo de un imán en barra

Imán toroidal

Si disponemos de una brújula, al acercarla veremos como se desvía colocándose en dirección de las líneas del campo.

Prueba Nro 2 El tubo embrujado

Necesitaremos un tubo de cobre de alrededor de 60 o 70 cm y 2 cm de diámetro y un imán de neodimio que sacamos de un viejo disco duro de PC.

Dejamos caer el imán por el tubo y Ohhhhh!!!!! Va como flotando!!!!!…. Parece que ahí no corren los 9,81 m/s2 de la gravedad

Podemos probar con otros materiales que no sean el imán y veremos que si obedecen las leyes de la gravedad, pero como es esto? Si el imán no atrae al cobre?

Explicación:

En  la figura, se ilustra la aplicación de la ley de Lenz para explicar el origen de la fuerza retardadora sobre el imán en términos de las corrientes inducidas en el tubo de metal.

1. Durante el descenso del imán, el flujo del campo magnético se incrementa en la región próxima al polo Sur del imán. Se origina en el tubo una corriente inducida que se opone al incremento de flujo, en el sentido indicado en la parte (1) de la  figura.
2. El flujo del campo magnético disminuye en la región próxima al polo Norte, se origina en el tubo una corriente inducida que se opone a la disminución del flujo, en el sentido indicado en la parte (1) de la figura

El momento magnético del imán y el de las corrientes inducidas está representado en la parte (2) de la figura.

En la figura (3), mostramos la equivalencia entre corrientes (espiras o solenoides) e imanes, de modo que la corriente inducida por delante del polo Norte equivale a un imán de polaridad opuesta, por lo que se repelen. Sin embargo, la corriente inducida por detrás del imán tiene la misma polaridad por lo que se atraen.

El imán que desciende por el tubo metálico es repelido por delante y atraído por detrás. Esta es la explicación cualitativa de la fuerza de frenado en términos de la ley de Lenz.

Tomado de: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/induccion/foucault1/foucault1.htm

Prueba Nro 3 Levitación

Es conocida la fuerza que ejercen dos imanes cuando se enfrentan con polos opuestos, del mismo modo cuando se enfrentan por sus polos iguales, en este caso tratando de separarse, resulta muy atractivo ver como un imán queda en el aire empujado por esa repulsión, para esta prueba vamos a usar los imanes toroidales, los colocamos en una caja de CD de las redondas

 

Prueba Nro 4 Simple motor de corriente continua

Para esta prueba necesitaremos, fabricar una bobina de unas 10-15 vueltas de cable de un solo hilo forrado, de un diámetro de unos 6 a 8 cm podemos sujetarla con trozos de cinta para que quede armada, los dos extremos deben quedar bien ecuatoriales para que la misma pueda girar, uno de los dos extremos tiene que quedar pelado solo en la mitad del cable. También necesitamos 2 clips un imán y tres pilas

Un suave impulso y voilá!!! Sale funcionando

 

Prueba Nro5 El rifle de Gauss

El principio de acción y reacción puesto a la vista con este interesante dispositivo magnético, se necesitan 5 o 6 bolitas de acero y dos o tres imanes de neodimio del tipo cilíndricos

 

Prueba Nro 6 La linterna mágica

En este experimento pondremos a la la vista la ley de Faraday-Lenz, que nos dice que por por el movimiento del imán permanente en el interior de una bobina se crea sobre esta una corriente eléctrica que a su vez genera un campo magnético opuesto al campo del imán. (recordar lo visto en la prueba 2 donde ese campo opuesto frenaba la caída del imán en el tubo de cobre que hace las veces de bobina)

Necesitaremos un carretel de hilo de coser y alambre de cobre esmaltado fino 0.2 mm de diámetro o menor, podremos sacarlo de algún transformador que desarmemos. También nos hará falta un led (los leds son diodos de emisión luminosa en casi todos los dispositivos electrónicos hay, son las luces que indican si el dispositivo esta conectado a la red de 220v)

Se bobinan en este carretel el mayor número de vueltas que entren en el mismo (500 o más), dejaremos a mano ambos extremos de la misma, esta misma bobina la usaremos en otra prueba.

Usaremos un tornillo que entre justo en el carretel al que le pegaremos en la cabeza unos imanes de neodimio, el led conectado a los extremos de la bobina, entramos y sacamos el tornillo en la bobina y “se hizo la luz”, veremos como se enciende el diodo

Una pregunta que conviene hacer a la clase es de donde sale la energía en este caso?

 

Prueba Nro 7 La balanza electromagnética

Utilizando la misma bobina que construimos para la linterna mágica vamos a fabricar un electroimán que nos servirá como mecanismo para pesar objetos.

En el dibujo queda claro que la fuerza del electroimán cuando sea alimentado por una tensión suficiente moverá la varilla de hierro asociada al platillo, se puede colocar un indicador visual entre el tope inferior y la varilla para que encienda un led cuando esto ocurre. Para la pesada tendremos que realizar una calibración con pesas conocidas y dibujar una curva como la que adjunto.

Ampliaré este trabajo en breve asociando el conjunto a la placa arduino para que haga lectura directa

Como puede verse en DataStudio, da una función cuadrática, en X van los gramos y en Y los voltios que necesitamos, los datos de la gráfica los tomé con monedas de 10c que pesan cada una 2.21 gr c/u

Algunos consejos para que esto salga bien, el punto de apoyo de la palanca si es posible hacerlo tipo cuchilla, el electroimán debe estar lo mas cerca posible de la barra y también poner un indicador óptico para marcar perfectamente el punto en que se vence el peso del platillo, luego quedará pegado por mas que se baje la tensión un poco.

Un video

 

 

Prueba Nro 8 Un pequeño aerogenerador demostrativo

En la prueba 4 vimos como fabricar un motor muy simple el que funcionaba cuando le dábamos tensión con las pilas, en este caso vamos a hacer a la inversa, con un pequeño motor de algún juguete vamos a generar tensión suficiente para encender un led, en este caso la bobina del motor irá conectada a la luminaria y moveremos el imán del motor.

Utilizaremos una especie de hélice que pueda ser movida por el viento, la fabricaremos con cucharas dosificadoras de las que vienen en la leche en polvo.

Este mismo dispositivo puede usarse como anemómetro, colocando un voltímetro en lugar del led, para ajustarlo habrá que hacer unos ejes cartesianos, voltios en función de velocidad, sacando el dispositivo por la ventanilla del auto a velocidades conocidas y anotando los voltios en cada caso. También con arduino se puede hacer una lectura directa además de marcar las ráfagas de máxima.

Prueba Nro 9 Diamagnetismo

Como se comentó al inicio todos los materiales son afectados por los campos magnéticos, algunos materiales son repelidos por los campos magnéticos, a ellos se les llama diamagnéticos, entre ellos tenemos al bismuto, al carbono pirolítico que hasta puede flotar sobre un campo fuerte como el de imanes de neodimio

 

Esta imagen fue tomada de wikipedia http://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismo

Hay varios materiales que son diamagnéticos además de los mencionados, el oro y el cobre por ejemplo, vamos a fabricar con una pajita de gaseosa una especie de balanza de torsión

Equilibramos con dos anillos, uno de oro y uno de cobre, deberemos esperar que deje de girar, ya que el hilo esta formado por varias fibras trenzadas y tardara un rato en dejar de hacerlo hacia un lado, una ves se estabilizó vamos a acercar el imán de neodimio a 1 o 2 mm de alguno de los anillos y notaremos como este intenta alejarse del imán, es una fuerza muy sutil, haré un video en cuanto reciba unas agujas de bismuto que es el material mas diamagnético que hay.

Prueba Nro 10 El Chispaboli

Este dispositivo fue inventado por Edison para grabar metales, una especie de bolígrafo para escribir en cobre, bronce o estaño.

Es un electroimán que cierra su circuito con un tornillo de punta afilada que esta sujeto en una chapa de bronce flexible (papel España). El siguiente dibujo ilustra bien

El arco que se forma entre la punta del tornillo y el material a grabar es lo que permitirá escribir sobre el metal, la técnica es bastante fácil, no hay que apretar, una vez se forma el arco lo mantenemos lo suficiente cerca como para que no se corte la chispa y escribimos.

El electroimán puede fabricarse bobinando sobre un tornillo de unos 5 cm de largo y unos 6 mm de diámetro unos 10 metros de alambre de cobre esmaltado de 0.40 mm, yo usé una bobina de un relay de 12 v