080 – Solenoides

Un solenoide es una bobina de alambre que se convierte en un imán cuando la corriente fluye a través de él y deja de serlo en el instante en que la corriente se detiene. Esa única propiedad —un imán con un interruptor— es lo que hace que el electromagnetismo sea útil. Así es como la grúa de un desguace levanta un auto y lo suelta, cómo el motor de arranque impulsa su piñón hacia adelante, cómo se libera la cerradura de una puerta al presentar una tarjeta, cómo se mueve el cono de un altavoz, cómo un relé permite que una pequeña corriente controle una grande y, bobinado con alambre superconductor y enfriado con helio líquido, cómo se produce el campo de varios teslas de un escáner de resonancia magnética.

El campo en el interior de una bobina larga es uniforme y apunta a lo largo del eje, y su intensidad es B = µ₀ nI, donde n es el número de espiras por metro e I la corriente. Por lo tanto, se pueden cambiar tres cosas para hacer que la bobina sea más fuerte: más espiras en la misma longitud, más corriente o un núcleo que sea magnetizable en sí mismo. El tercero es el mayor factor de influencia de los tres. Un núcleo ferromagnético colocado dentro de la bobina se magnetiza por el campo propio de la bobina y añade su propia contribución al mismo, razón por la cual un electroimán con núcleo de hierro puede ser cientos de veces más fuerte que la misma bobina enrollada sobre nada.

En este laboratorio probará cada uno de los tres factores por turno mientras mantiene los otros dos fijos. La Parte A introduce siete núcleos diferentes —hierro dulce, níquel, vidrio, madera, aluminio, cobre y ningún núcleo— en una bobina de 600 espiras a unos 15 V fijos. La Parte B mantiene el núcleo de hierro dulce y varía el suministro de 30 V a 15 V y a 7 V. La Parte C mantiene el núcleo y el voltaje y cambia la bobina, de 15 espiras a 300 y a 600. La fuerza del imán se juzga en cada ocasión mediante el mismo indicador, rudimentario pero eficaz: el porcentaje de los sujetapapeles de la mesa que es capaz de levantar.

Objetivos Educativos

Comprender qué hace a un electroimán

• Establezca las tres variables que determinan la intensidad del campo de un solenoide: vueltas por unidad de longitud, corriente y la permeabilidad del núcleo; y escriba B = µ₀µ_rnI.
• Un solenoide puede apagarse porque su campo magnético es generado por una corriente eléctrica; cuando se interrumpe la corriente, el campo desaparece. Por el contrario, un imán permanente está hecho de un material ferromagnético cuyos dominios magnéticos están alineados permanentemente a nivel atómico, por lo que su campo magnético es intrínseco y constante, sin posibilidad de apagarse. Tres dispositivos que dependen de esta diferencia son: 1. Grúa magnética (chatarra) 2. Cerradura eléctrica 3. Relé (relay).

Controlar variables

• Cambia un factor a la vez y mantén los otros dos fijos, e identifica qué cantidad es la controlada en cada una de las tres partes.
• Reconoce que las tres partes comparten una configuración común —600 espiras, hierro dulce, 15 V— y utilízala para comprobar que las tres tablas coinciden entre sí.

Distinción entre materiales magnéticos

• Clasifica los siete núcleos en ferromagnéticos y no magnéticos, y explica el resultado en términos de permeabilidad relativa, en lugar de limitarte a enumerar cuáles funcionaron.
• Explica por qué el cobre y el aluminio, ambos excelentes conductores eléctricos, son inútiles como núcleos magnéticos.

Mediante una medición indirecta

• Explique por qué el porcentaje de clips recortados (o "levantados") es un indicador de umbral y no una medida proporcional de la intensidad del campo.
• Explica por qué es necesario repetir una medición de este tipo antes de poder clasificar dos configuraciones cualesquiera.

Manejo del aparato

• Ajusta una fuente de alimentación de laboratorio a la diferencia de potencial indicada, conecta una bobina a la misma y apágala de forma segura entre un ensayo y otro.
• Mantén más o menos constante el número de clips disponibles entre cada prueba y explica por qué, de lo contrario, el resultado no sería comparable.

Protocolo

Parte A: La naturaleza del núcleo

1. Conecte el solenoide de 600 vueltas a la fuente de alimentación utilizando los conectores.
2. Ten más de 35 clips en el mostrador. Asegúrate de añadir clips entre cada experimento si algunos se han caído de la mesa.
3. Coloque el núcleo de hierro dulce en el solenoide.
4. Enciende la fuente de alimentación.
5. Ajusta la diferencia de potencial a 15 V.
6. Toca los clips con el solenoide.
7. Mueve suavemente el solenoide lejos de los clips y luego retira el núcleo.
8. El porcentaje aproximado de clips de papel que son atraídos por el solenoide se encuentra en la tabla de resultados.
9. Repita los pasos 1 a 8 con los otros cinco tipos de núcleos y sin núcleo (núcleo de aire).

Parte B: La intensidad de corriente

1. Coloque el núcleo de hierro dulce en el solenoide.
2. Ajusta la diferencia de potencial de la fuente a 30 V.
3. Toca los clips con el solenoide.
4. Mueve suavemente el solenoide lejos de los clips y luego retira el núcleo.
5. El porcentaje aproximado de clips de papel que son atraídos por el solenoide se encuentra en la tabla de resultados.
6. Reduce la tensión a 15 V. Coloca el núcleo de hierro blando en el solenoide y acerca los clips al solenoide. Anota en la tabla de resultados el porcentaje aproximado de clips que son atraídos por el solenoide.
7. Retire el núcleo del solenoide.
8. Reduce la tensión a 7 V. Coloca el núcleo de hierro blando en el solenoide y acerca los clips al solenoide. Anota en la tabla de resultados el porcentaje aproximado de clips que son atraídos por el solenoide. Retira el núcleo del solenoide.
9. Desconecte el solenoide de 600 vueltas de la fuente de corriente, vuelva a conectar los conectores a los terminales y colóquelo sobre la mesa.

Parte C: La densidad de vueltas

1. Conecte el solenoide de 15 vueltas a la fuente de alimentación.
2. Coloque el núcleo de hierro dulce en el solenoide.
3. Ajusta la diferencia de potencial a 15 V.
4. Toca los clips con el solenoide.
5. Mueve suavemente el solenoide lejos de los clips y luego retira el núcleo.
6. El porcentaje aproximado de clips de papel que son atraídos por el solenoide se encuentra en la tabla de resultados.
7. Desconecte el solenoide de 15 vueltas de la fuente de corriente, vuelva a colocar los conectores en los terminales y guárdelo sobre la mesa.
8. Repite los pasos 1 a 7 con el solenoide de 300 vueltas.

Resultados esperados

Al leer estos resultados. Cada cifra representa el porcentaje de los clips que hay sobre la mesa que levanta el solenoide, no un recuento, por lo que no depende del número de clips que haya colocados en ese momento. El campo magnético en el interior de un solenoide es proporcional al número de espiras por unidad de longitud y a la corriente que lo atraviesa: B = µ₀µ_rnI, pero la proporción de clips que se levantan no es proporcional a B. La fuerza que actúa sobre un clip depende del cuadrado del campo y de la rapidez con la que el campo disminuye alejándose del polo, y un clip solo se eleva cuando esa fuerza supera su peso. Por lo tanto, los porcentajes aumentan bruscamente una vez que el campo supera el umbral para la mayor parte de los clips; por eso 30 V los eleva prácticamente a todos y por eso el salto de 7 V a 15 V duplica la cifra al duplicarse el campo, mientras que el salto de 15 V a 30 V supone un aumento considerablemente mayor.

Por qué el núcleo es lo más importante de todo. La incorporación de un núcleo ferromagnético no se limita a potenciar el campo de la bobina, sino que es la fuente principal de dicho campo. Los momentos magnéticos atómicos del hierro ya están alineados en dominios microscópicos, y el campo de la bobina no hace más que hacer que dominios enteros se alineen con él: un gran efecto obtenido a partir de una causa mínima. El níquel también es ferromagnético, por lo que es el único otro núcleo capaz de levantar objetos, pero su magnetización de saturación es de unos 0,6 T frente a los 2,15 T del hierro, y su permeabilidad es mucho menor, por lo que alcanza solo una cuarta parte del resultado del hierro. El resto de materiales de la lista tienen una permeabilidad relativa indistinguible de la unidad con la precisión de este experimento: el aluminio se ve muy débilmente atraído por un campo y el cobre muy débilmente repelido, ambos en unas pocas partes por millón, y ninguno de los dos efectos podría levantar un clip bajo ninguna circunstancia. Cabe señalar que el cobre y el aluminio son excelentes eléctrico son conductores y totalmente inútiles como núcleos magnéticos: la conducción de la electricidad y la conducción del flujo magnético son propiedades que no guardan relación entre sí, y los alumnos suelen pensar lo contrario.

Por qué una barra de hierro corta no ofrece el rendimiento mil veces superior que promete su permeabilidad. El hierro dulce a granel tiene una permeabilidad relativa de varios miles, pero la bobina con núcleo que nos ocupa no es ni mucho menos mil veces más potente que la vacía. La razón es la geometría. En cuanto se magnetiza la varilla, aparecen polos libres en sus dos extremos y estos producen un campo en el interior de la varilla que se opone a la magnetización: el campo desmagnetizador. Su magnitud depende de la forma: lo largo y delgado es bueno, lo corto y grueso es malo, y para una barra diez veces más larga que ancha, la permeabilidad efectiva se limita a unas pocas decenas, sea cual sea el valor intrínseco del material. Precisamente por eso los transformadores y los motores utilizan circuitos magnéticos cerrados sin entrehierro, y por eso se inventó la forma de herradura.

Una sutileza en la Parte C que vale la pena plantear a una clase capaz. La afirmación habitual es que el campo es proporcional al número de espiras, y a constante actual lo es. Pero este protocolo mantiene el tensión constante, y las espiras y la resistencia no son independientes: dar más vueltas del mismo hilo en la misma horma alarga el hilo en proporción, por lo que R aumenta con N, la corriente V/R disminuye en proporción y los dos efectos se anulan exactamente — B = µ₀(N/L)(V/R) con R ∝ N no deja ningún N en absoluto. Siguiendo ese razonamiento, las tres bobinas a 15 V deberían funcionar de manera idéntica, y claramente no lo hacen. La solución es que las tres bobinas no son el mismo alambre en la misma forma: una bobina de 15 espiras normalmente se devana con un alambre mucho más grueso, por lo que su resistencia es mucho menor de lo que sugeriría una simple proporcionalidad, y las bobinas también difieren en longitud. El resumen honesto es que la Parte C compara tres bobinas particulares en lugar de aislar el número de espiras, y una clase que quiera el experimento limpio debe medir la resistencia de cada bobina primero y trabajar a corriente constante o corregirla.

Espere dispersión y repita. Cuáles pinzas se tocan y se levantan varían de una prueba a la siguiente, por lo que una sola medición puede situarse aproximadamente 15 puntos porcentuales a cualquier lado de los valores anteriores. En un par de pruebas desafortunadas, una configuración más débil puede parecer que supera a una más fuerte. Ese es el comportamiento de muestreo ordinario, no una falla en el aparato, y el remedio es el ordinario: repetir cada medición varias veces y comparar los promedios en lugar de lecturas individuales. Reconocer que una sola prueba no es evidencia de una tendencia es parte del ejercicio. También importa que las pinzas se vuelvan a colocar entre las pruebas y que su número se mantenga aproximadamente constante, ya que un banco con diez pinzas sobre él y uno con cuarenta no presentan el mismo objetivo.

Límites honestos de este experimento. Ningún campo es medido jamás. El porcentaje de clips levantados es un indicador de umbral: responde al campo, pero a través de la masa de los clips, su forma, cómo están amontonados y dónde los toca el polo, por lo que no puede convertirse en teslas y las tres tablas no pueden representarse gráficamente unas frente a otras en ninguna escala común. La corriente tampoco se visualiza nunca, solo el voltaje, por lo que B = µ₀µ_r$nI$ tiene que aplicarse mediante la ley de Ohm con una resistencia de bobina que no se da. Tampoco el experimento muestra histéresis, aunque está presente en todo núcleo de hierro: una varilla que ha sido magnetizada conserva cierta magnetización cuando cesa la corriente, razón por la cual el protocolo indica que se retire el núcleo antes de la siguiente prueba. Una clase con una sonda Hall o un método de brújula y cronómetro puede convertir las tres partes en mediciones genuinas; sin uno, este laboratorio establece un ordenamiento y un conjunto de umbrales, lo cual es un resultado legítimo siempre y cuando no se redacte como si se hubieran medido teslas.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

Concentración. Qué es un electroimán y qué lo hace más fuerte.

Actividades. Lleva a cabo las tres partes y completa las tres tablas. Antes de cada ensayo, predice si el resultado será mayor o menor que el anterior y, después, cuenta cuántas predicciones fueron correctas.

Esperado del estudiante. Los tres factores que cambian la intensidad de un solenoide son: la cantidad de vueltas de alambre en la bobina, la corriente eléctrica que fluye a través de ella y el material del núcleo. Clasificando los siete núcleos, los que funcionan son el hierro, el acero y el níquel, mientras que los que no funcionan son el aluminio, el cobre, la madera y el plástico. Los núcleos que funcionan tienen en común que son materiales ferromagnéticos. La bobina actúa como un imán únicamente mientras fluye corriente eléctrica a través de ella. Dos usos cotidianos de un electroimán son en los timbres de las puertas y en las grúas de los desguaces para levantar chatarra de hierro y acero.

Undécimo grado

Concentración. Variables controladas y la relación detrás de las tablas.

Actividades. Identifica qué elementos se mantienen fijos en cada parte y comprueba que las tres tablas coincidan en la configuración que comparten. Utiliza B = µ₀µ_rni con la ley de Ohm para predecir la relación de los campos a 30, 15 y 7 V, y comparar dicha relación con los porcentajes realmente obtenidos. Repita una configuración varias veces y cite una media con su dispersión.

Esperado del estudiante. Explique por qué los porcentajes aumentan más rápido que el campo; explique por qué la corriente es proporcional a la posición del dial; justifique el resultado más débil del níquel en términos de permeabilidad y saturación; e indique por qué el aluminio y el cobre fallan a pesar de ser buenos conductores.

12.º curso / Nivel universitario

Concentración. Materiales magnéticos, y la diferencia entre un ordenamiento y una medición.

Actividades. Analizar la fuerza sobre un clip en función del gradiente de B² y explique el comportamiento de umbral de los porcentajes. Examine el diseño de voltaje constante de la Parte C y determine qué se tendría que saber sobre las tres bobinas para que el número de espiras quede aislado. Estime el efecto del campo desmagnetizante en una varilla corta y explique por qué se utilizan circuitos magnéticos cerrados en los transformadores.

Esperado del estudiante. Distingue el ferromagnetismo del paramagnetismo y del diamagnetismo por su mecanismo y por su orden de magnitud; explica la histéresis y por qué se retira el núcleo entre los ensayos; diseña una versión de este experimento que produzca un campo en teslas; y establece claramente qué conclusiones de esta página están respaldadas por los datos y cuáles se derivan de la teoría.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Solenoide, 15 espiras
• Solenoide, 300 espiras
• Solenoide, 600 espiras
• Fuente de alimentación de CC variable (de 7 a 30 V)
• Conexión de cables (2)
• Núcleos (6): hierro dulce, níquel, vidrio, madera, aluminio, cobre
• Caja de clips de papel pequeños, al menos 35 dispuestos sobre el banco