METODO EXPERIMENTAL, EXPERIMENTAL, MOTOR HOMOPOLAR
LEONEL ALVAREZ PABON Facultad de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad de los llanos Villavicencio, Meta, Colombia
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Received (31 Mayo 2011) Revised (31 Mayo 2011)
This Abstract — — This
paper presents very simple home experiments. It has to make a
Homopolar Motor. The same was invented in 1821 by scientist Michael Faraday. The engine is called "homopolar" since they do not wish to reverse the polarity of the magnet current or half of each cycle. To build it requires four elements: dry cell, cylindrical neodymium magnet, screw (or nail) of iron and copper wire
1. Introducción El método experimental para el curso de física II (electromagnetismo) se desarrollo un motor homopolar que es un motor eléctrico que se basa en la fuerza de Lorentz para transformar la energía eléctrica en movimiento, La fuerza de Lorentz es la fuerza que experimenta una carga a su paso por un campo electromagnético.Para este experimento necesitamos elementos muy sencillos de conseguir (pila de 1.5 v, imán de neodimio, clavo o tornillo, cable), lo que se nos facilita para la creación del mismo. El motor homopolar se caracteriza porque el campo magnético del imán mantiene siempre la misma polaridad (de ahí su nombre, del griego homos, igual), de modo que, cuando una corriente eléctrica atraviesa el campo magnético, aparece una fuerza que hace girar los elementos no fijados mecánicamente. Esta fuerza se debe o que las líneas de fuerza del
campo magnético formado por el imán son verticales. La pila, el cable y el imán, forman un circuito eléctrico por el que circula una corriente. Dicha corriente es siempre ortogonal al campo magnético, lo que da lugar a un torque sobre el cable respecto del imán, que es el eje de giro. Cuanto mejor sea el contacto entre el cable y el imán, la corriente pasara en mayor cantidad por lo que la velocidad de giro será mayor.
2. Teoría 2.1 Motor homopolar Es un motor eléctrico que se basa en la fuerza de Lorentz para transformar la energía eléctrica en movimiento, La fuerza de Lorentz es la fuerza que experimenta una carga a su paso por un campo electromagnético. En la imagen se puede observar la situación más simple: una carga (Q) moviéndose a velocidad constante (v) por un campo magnético constante (B) producido por un imán. La fuerza resultante viene del producto vectorial de la velocidad de la carga por el campo magnético, por lo que ésta es perpendicular tanto a la velocidad como al campo. Debido a esto, si la carga llevase la misma dirección que el campo magnético, la fuerza de Lorentz sería nula.[1]
Fig. 1. Fuerza Lorentz
.
El motor homopolar, uno de los más antiguos tipos de motores eléctricos. Se caracterizan porque el campo magnético del imán mantiene siempre la misma polaridad (de ahí su nombre, del griego homos, igual), de modo que, cuando una corriente eléctrica atraviesa el campo magnético, aparece una fuerza que hace girar los elementos no fijados mecánicamente. En el sencillísimo motor homopolar colgado, el imán puede girar libremente mientras que el cable está fijo.[2]
Fig. 2. Configuración Funcionamiento
3. Implementación del experimento Materiales:
Imán de neodimio
Batería 1.5V Tornillo o clavo grande
Conductor eléctrico (cable)
Fig. 3. Motor Homopolar
La creación del motor Homopolar es tan sencilla que con tan solo observar la figura 3 sabremos cómo hacerlo.[3] Observe que el pequeño imán, unido a la cabeza del tornillo (o clave) de hierro, cuelga por debajo de la pila haciendo contacto con el polo inferior de ésta, en una configuración de simetría vertical. Al conectar mediante el alambre de cobre el polo superior de la pila y la cubierta externa del imán, tanto éste como el tornillo empiezan a girar vertiginosamente alrededor del eje de simetría, lo cual es fácilmente visible en el motor gracias a las estrías del tornillo. Se estima que en pocos segundos pueden adquirir velocidades de rotación de varios miles de revoluciones por minuto. Apelando a conceptos y leyes de la electrodinámica, se pide explicar el fenómeno observado, incluyendo el por qué de la configuración indicada y de los materiales.[4]
4.
Funcionamiento
El imán crea un campo magnético permanente, en la dirección del tornillo, es decir, desde el imán hacia la batería. Cuando cerramos el circuito (tocamos el cable al imán) la corriente comienza a circular. Los electrones salen del polo negativo de la batería (superior), recorre el cable, entran radialmente por el imán, atraviesan el tornillo, y por último llegan al polo positivo de la batería. Para entender por qué gira, necesitamos explicar la ley de Lorentz . La misma dice que cuando un electrón atraviesa un campo eléctrico con cierta velocidad, se crea sobre él una fuerza, que tiene dirección perpendicular al plano que conforman el campo magnético y la velocidad del electrón.Para saber hacia dónde apunta esa fuerza, se utiliza la regla de la mano derecha. Con los cuatro dedos se recorre desde el campo magnético hacia la velocidad del electrón por consiguiente el pulgar apuntará de la misma manera que la fuerza. Podemos ver la aplicación de la regla de la mano derecha en la figura 4:
Fig. 4. Regla mano derecha
En la figura 4, B es la dirección del campo magnético, I es la intensidad que a su vez indica la dirección del movimiento de los electrones (velocidad en ese sentido) y F es la fuerza resultante. Si fuera sólo un electrón el que se desplaza por el campo magnético, sería ver figura 1. Ahora bien, como dijimos anteriormente, el campo magnético generado por el imán es permanente y apunte en dirección del tornillo. Como los electrones circulan por el imán de forma radial, se genera una fuerza que tiene sentido tangente al imán. Por lo tanto, esta fuerza lo hace girar.
Dicha fuerza, resultado de la interacción entre los electrones y el campo magnético, puede verse en la figura 5:[3]
Fig.5. Diagrama de fuerzas
5. Caso de estudio La intensidad magnética H del imán de neodimio magnetiza al tornillo (o clavo) de hierro (o sea, provoca el alineamiento de sus dominios magnéticos) con lo que ambos quedan fuertemente ligados y se genera así un poderoso campo magnético B de simetría axial cuyas líneas de fuerza describen una familia de curvas cerradas, similares a orejas de taza, como se observa en el siguiente diagrama.
Fig 6.Diagrama
La figura representa al imán cilíndrico (color violeta) y al tornillo (color verde), ambos vistos de costado, con algunas líneas de fuerza del campo B. El diagrama supone que el polo Norte está en la cara superior y el Sur en la cara inferior del imán. Nótese que las líneas de B salen del imán por arriba, atravesando el tornillo, y regresan al imán por abajo. El vector B indicado en la figura por una flecha representa la intensidad y orientación del campo B en un punto al interior del costado derecho del tornillo. Por su parte, el vector V en este mismo punto representa la velocidad media de la carga eléctrica que fluye a lo largo del tornillo cuando pasa la corriente. Nótese que los vectores V y B no son colineales; por el contrario, hay un ángulo entre ellos. Existe por lo tanto una fuerza magnética que actúa sobre la carga eléctrica en movimiento "q", la cual, según la Ley de Lorentz, está descrita por la siguiente expresión vectorial (aquí el símbolo x representa al producto "cruz"):
=
(1)
La magnitud de esta fuerza es proporcional al seno del ángulo entre ambos vectores, de manera que se anularía si los vectores fuesen paralelos, pero ello no ocurre debido a la inhomogeneidad del campo B. Por otra parte, la fuerza de Lorentz apunta siempre en dirección perpendicular al plano formado por ambos vectores, lo cual en nuestro caso (de acuerdo a la regla de la mano derecha) significa que apunta hacia adentro del plano del dibujo. Lo contrario ocurre para aquellas cargas que se desplazan por el costado izquierdo del tornillo. Allí el campo B se inclina hacia el otro lado y por lo tanto la fuerza F apunta hacia afuera del plano del dibujo. El efecto neto de estas fuerzas magnéticas actuando sobre las cargas eléctricas que fluyen por el interior del tornillo genera un torque que hace rotar al tornillo alrededor de su eje de simetría. Cabe señalar que, aunque el imán rote junto con el tornillo, el campo B puede considerarse fijo debido a su simetría axial. Nótese además que el tornillo girará en sentido contrario cada vez que se invierta la polaridad de la batería o que se invierta la posición del imán [4].
6. Resultados Al conectar mediante el alambre de cobre el polo superior de la pila y la cubierta externa del imán, tanto éste como el tornillo empiezan a girar alrededor del eje de simetría, lo cual es fácilmente visible gracias a las estrías del tornillo.Se estima que en pocos segundos pueden adquirir velocidades de rotación de varios miles de revoluciones por minuto. El imán de neodimio magnetiza al tornillo (o clavo) de hierro (o sea, provoca el alineamiento de sus dominios magnéticos) con lo que ambos quedan fuertemente ligados y se genera así un poderoso campo magnéticode simetría axial. El efecto neto de las fuerzas magnéticas actuando sobre las cargas eléctricas que fluyen por el interior del tornillo (debido a la corienye eléctrica) genera un torque que hace rotar al tornillo alrededor de su eje de simetría. El tornillo girará en sentido contrario cada vez que se invierta la polaridad de la batería o que se invierta la posición del imán. [1] 7.
Análisis
Con la realización del motor homopolar podemos decir que el campo magnético lleva la dirección del eje axial de la pila y el imán, mientras que la corriente fluye de forma radial desde el centro del imán hacia la superficie cilíndrica, donde el alambre hace contacto. Por lo tanto, la fuerza (que es perpendicular a las dos direcciones anteriores) es circular y hace que se mueva el tornillo y el imán.
8. Conclusiones Con la realización de este experimento hemos intentando demostrar que con unos elementos tan simples como una pila, un imán, un tornillo y un alambre de cobre, podemos construir un motor homopolar que genera un movimiento circular todo esto basado en los estudios y en las teorías del científico Michael Faraday. Con estos simples experimentos también hemos descubiertos un nuevo material: El Neodimio, el cual tiene unas características distintas a los imanes convencionales. Lo que provoca que este tenga una mayor fuerza de atracción.
Así mismo durante la construcción del experimento, se navego por la red en busca de información y en libros hemos aprendido mas sobre el magnetismo y la electricidad.
9.
Referencias 1. 2. 3. 4.
http://hipermegared.net/2010/04/13/que-es-y-como-funciona-un-motor-homopolar/. M. Agustin , “Instituto de Física Aplicada”,CSIC,Madrid. 2007 http://experimentoscaseros.net/2010/08/motor-homopolar-casero/ http://www.profisica.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=199%3Amot or-electrico-homopolar&catid=57&Itemid=9
