Diferencia entre revisiones de «Cómo armar un electroimán»

Revisión del 18:54 20 oct 2012

En este artículo se describe cómo armar un electroimán —imán generado por la circulación forzada de corriente eléctrica— que puede levantar más de 50 g de clavos y servir de base para la construcción de un motor eléctrico. El electroimán está diseñado para ser alimentado con 4 pilas alcalinas de 1,5 V que generan una corriente de algo más de 1 amperio. El único insumo costoso requerido en su construcción —que puede conseguirse en talleres de bobinado de motores— es alambre de cobre esmaltado.

Introducción

Los electroimanes son, junto con los imanes permanentes y los materiales magnetizables, la base del funcionamiento de los motores eléctricos. Pocos saben que también cumplen funciones imprescindibles en muchos otros artefactos, caso de los lavarropas donde accionan las válvulas que controlan el ingreso de agua de los grifos y su posterior desagote. En ambas aplicaciones su modo de funcionamiento es difícil de comprender porque no se puede ver lo que sucede en el interior de los artefactos y dispositivos. Aunque muchos han jugado con imanes, pocos han construido electroimanes capaces de aplicar fuerzas significativas a materiales magnetizables como el hierro y el acero. La razón no es la falta de interés —ya que los fenómenos magnéticos fascinan a niños, jóvenes y adultos— sino la dificultad de construccción de un electroimán suficientemente poderoso para justificar el esfuerzo requerido. El diseño de un dispositivo aparentemente tan simple como un electroimán (arrollamiento o bobinado de un alambre conductor en un carrete) requiere conocimientos de Electromagnetismo que sólo tienen los físicos e ingenieros. Aunque en libros y revistas hay diseños simples de electroimanes, rara vez operan bien por falta de identificación del tipo de fuente eléctrica y alambre a usar (especialmente su diámetro y longitud).

Criterios determinantes del diseño

No se darán aquí las fórmulas determinantes del diseño ni la manera de llegar a ellas, sólo los factores a tener en cuenta y su incidencia sobre el resultado final. Estos factores son:

• fuente de alimentación a usar,
• diámetro del alambre requerido,
• longitud del alambre requerido.

El factor principal del diseño es la fuente de alimentación a usar, la que fija el voltaje V entre los extremos del electroimán y condiciona la máxima intensidad de corriente eléctrica I que se puede obtener. El responsable de la fuerza que ejerce el electroimán sobre materiales magnetizables es el campo magnético que genera en su exterior. La intensidad de este campo es directamente proporcional a la intensidad de corriente I que circula por el bobinado, al número N de vueltas de éste y a las propiedades magnéticas (permeabilidad) de su núcleo (el perno). No es viable usar un número demasiado grande de vueltas N porque entonces disminuye I debido al aumento de la resistencia eléctrica del alambre. Se generan altas corrientes usando la mayor cantidad razonable de pilas alcalinas lo más grandes posibles, 4 de tamaño D, pero desde el punto de vista práctico es más conveniente usar 4 pilas AA. Aunque las pilas recargables proporcionan corrientes más elevadas, se destruyen fácilmente por recalentamiento. Las corrientes altas requieren alambres de gran diámetro para evitar aumentos excesivos de temperatura que pueden carbonizar su esmalte de aislación, lo que aumenta el tamaño del electroimán. La relación de compromiso que hay que hacer entre todos estos requisitos (no se pueden maximizar simultáneamente V, I y N) y el tamaño elegido para el carrete conducen al diseño de electroimán de excelentes características cuya construcción se describe a continuación. El perno de hierro —aunque no es del material óptimo, sería mucho mejor usar un núcleo de Fe-Si como el de los laminados de transformadores— proporciona un campo magnético unas 5.000 veces mayor que si se dejara vacío el interior del carrete.

Materiales y útiles requeridos

Figura 1. Núcleo del electroimán.

• Materiales
  • 1 carrete de hilo de coser, vacío, de aproximadamente 58 mm de largo y diámetro interior de no menos de 10 mm
  • 11 m de alambre de cobre esmaltado Nº 22 o 23
  • cinta de enmascarar de 1,5 cm de ancho
  • 1 bulón de acero con tuerca de 10 x 1,50 x 65 (la 1ª medida es el diámetro, la 3ª es la longitud)
  • 20 cm de cable multifilar de 0,3 mm2 de sección
  • 1 trozo de lija Nº 220
  • soldadura para electrónica con alma de resina
• Útiles
  • soldador eléctrico
  • taladro o torno de mano con mecha de 1 mm

Figura 2. Carrete vacío.

El alambre de cobre puede conseguirse en talleres que hacen rebobinado de motores. El perno debe ser de hierro sin magnetización permanente, lo que puede verificarse con una brújula, a la que no debe desviar.

El carrete es uno común de hilo de coser casero, vacío, de plástico; debe verificarse que el perno entre bien, ya que algunos tienen diámetro interior menor de 1 cm. No es una buena alternativa elegir un perno de menor diámetro para adaptarlo al carrete porque ésto diminuiría la intensidad del campo magnético generado. La Figura 2 muestra el carrete vacío al que debe hacerse un agujero pasante (indicado por la flecha) para pasar el chicote inicial del bobinado (a en la Figura 3) usando una mecha (broca) de 1 mm de diámetro. La parte externa del borde del carrete está dividido en varios sectores circulares, como se ve en la Figura 4; el agujero debe hacerse en un extremo de un sector, ya que el resto del espacio se usará para alojar un cable flexible que será el terminal de conexión llamado chicote (mire de nuevo la Figur 4). Conviene que el chicote tenga por lo menos el largo del carrete, tanto por posibles cortes por usos reiterados como por su posible uso en la construcción de un motor eléctrico.

El bobinado, que tendrá en total unas 250 vueltas distribuidas en 5 capas, debe hacerse bien apretado, sin dejar espacio entre alambres contiguos, como se ilustra en la Figura 3. En ella el extremo inicial del alambre está identificado con la letra a; la posición del agujero pasante para ese extremo, con b; la primera capa del bobinado con c; la vuelta de cinta de enmascarar usada para evitar que el alambre se desacomode al iniciar la siguiente capa con d; el resto del alambre a bobinar con e.

Se hace salir el final del alambre mediante otro agujero de 1 mm de diámetro. Si el electroimán se usará sólo para hacer experimentos de atracción conviene que la salida esté en el mismo lado del carrete que la entrada; si se usará para armar un motor eléctrico debe estar en el opuesto. Esto facilitará la conexión a las pilas en el primer caso y a las delgas, en el segundo. Para hacer experimentos no se pueden usar directamente estos alambres para hacer la conexión a las pilas porque son rígidos y se romperían al cabo de poco tiempo de uso. Para evitar este problema se agregan chicotes hechos de cables multifilares (varios alambres finos en vez de solo 1 grueso) capaces de soportar múltiples flexiones sin cortarse. Como es importante minimizar la resistencia que generan al paso de la corriente y evitar su recalentamiento en funcionamiento prolongado, estos cables deben tener por lo menos la sección del alambre de cobre esmaltado (0,3 mm²) y estar bien soldados.

Para que la cabeza del perno y su tuerca queden bien apretados contra el carrete, hay que embutir los chicotes en los sectores circulares de los extremos de éste, aislándolos previamente para evitar cortocircuitos (véase Figura 4). La Figura 5 muestra el electroimán terminado, listo para hacer experimentos.

Fuentes

• Solivérez, Carlos E.; Electroimán; revista ¡Armemos algo! Nº 3; San Carlos de Bariloche; 2006; pp. 30‑33.