Motores y Seleccionar el Correcto

¿Qué Hace Que un Motor Se Mueva?

¡La respuesta más vaga y simple es el magnetismo! Ok, ahora vamos a tomar esta fuerza simple y convertirlo en un súper coche!

Para mantener las cosas simples, tendremos que mirar algunos conceptos a través de la lente del experimento mental. Se tomarán algunas libertades, pero si quieres ensuciarte con los detalles, puedes consultar al Dr. Griffiths. Para nuestro experimento mental, vamos a afirmar que un campo magnético es producido por un electrón en movimiento, es decir, corriente. Si bien esto crea un modelo clásico para que lo usemos, las cosas se descomponen cuando alcanzamos el nivel atómico. Para entender mejor el nivel atómico del magnetismo, Griffiths lo explica en otro libro…

Electromagnetismo

Para crear un imán o un campo magnético, vamos a tener que ver cómo se generan. La relación entre la corriente y el campo magnético se comporta de acuerdo con la regla de la derecha. A medida que la corriente pasa a través de un cable, se forma un campo magnético alrededor del cable en la dirección de los dedos al envolverlo. Esta es una simplificación de la ley de fuerza de Ampère, ya que actúa sobre un cable de transporte de corriente. Ahora, si colocas ese mismo cable en un campo magnético preexistente, puedes generar una fuerza. Esta fuerza se conoce como la fuerza de Lorentz.

Si se aumenta la corriente, se fortalece la fuerza del campo magnético. Sin embargo, para hacer algo útil con el campo, se necesitarían cantidades increíbles de corriente. Además, el cable que envía la corriente tendría la misma fuerza magnética, creando así campos incontrolados. Doblando el cable en un bucle, se puede crear un campo dirigido y concentrado.

Electroimanes

Al hacer un bucle de alambre y pasar una corriente, se crea un electroimán. Si un bucle de alambre puede concentrar el campo, ¿qué se puede hacer con más? ¡Qué tal unos cientos más! Cuantos más bucles agregue al circuito, más fuerte se volverá el campo para una corriente dada. Si ese es el caso, ¿por qué no vemos miles, si no millones, de devanados en motores y electroimanes? Bueno, cuanto más largo sea el cable, mayor resistencia tendrá. La ley de Ohm (V = I*R) dice que para mantener la misma corriente a medida que aumenta la resistencia, el voltaje debe aumentar. En algunos casos, tiene sentido usar voltajes más altos; en otros casos, algunos usan cables más grandes con menos resistencia. El uso de cables más grandes es más costoso y generalmente es más difícil trabajar con ellos. Estos son factores que hay que sopesar al diseñar un motor.

Tiempo de experimento

Para crear su propio electroimán, simplemente encuentre un perno (u otro objeto redondo de acero), un cable magnético (calibre 30-22 funciona bien) y una batería.

Envuelva entre 75 y 100 vueltas de alambre alrededor del acero. El uso de un centro de acero concentra aún más el campo magnético, aumentando su resistencia efectiva. Repasaremos por qué sucede esto en la siguiente sección.

Ahora, usando papel de lija, retire el aislamiento de los extremos de los cables y conecte cada cable a cada terminal de la batería. ¡Felicitaciones! Usted ha construido el primer componente de un motor! Para probar la resistencia de su electroimán, intente recoger clips u otros objetos pequeños de acero.

Ferromagnetismo

Mirando hacia atrás al comienzo de nuestro experimento mental, los campos magnéticos solo pueden ser producidos por una corriente. Tomando la definición de corriente como un flujo de electrones, los electrones que orbitan alrededor de un átomo deben crear una corriente y, por lo tanto, un campo magnético! Si cada átomo tiene electrones, ¿todo es magnético? ¡SÍ! Toda la materia, incluidas las ranas, puede expresar propiedades magnéticas cuando se le da suficiente energía. Pero no todo el magnetismo se crea por igual. La razón por la que puedo coger tornillos con un magnente refriderador y no con una rana es la diferencia entre ferromagnetismo y paramagnetismo. La forma de diferenciar los dos (y algunos tipos más) es a través del estudio de la mecánica cuántica.

El ferromagnetismo será nuestro enfoque, ya que es el fenómeno más fuerte y es con el que tenemos más experiencia. Además, para liberarnos de tener que entender esto a nivel cuántico, vamos a aceptar que los átomos de materiales ferromagnéticos tienden a alinear sus campos magnéticos con sus vecinos. Aunque tienden a alinearse, las inconsistencias en el material y otros factores como la estructura cristalina crean dominios magnéticos.

Cuando los dominios magnéticos se alinean en un orden aleatorio, los campos vecinos se cancelan entre sí, lo que resulta en un material no magnetizado. Una vez en presencia de un campo externo fuerte, es posible volver a alinear estos dominios. Al alinear estos dominios, el campo general se fortalece, creando un imán.

Esta re-alineación puede ser permanente dependiendo de la fuerza del campo. Esto es genial porque los necesitaremos en la siguiente sección.

Imanes permanentes

Los imanes permanentes se comportan de la misma manera que los electroimanes. La única diferencia es que, bueno, son permanentes.

En todos los dibujos, las flechas apuntarán hacia el polo norte y hacia el polo sur. Otra convención es usar el color rojo para representar el norte y el azul para representar el sur. Para identificar la polaridad de un imán, puede usar una brújula. Dado que los opuestos se atraen, la aguja apuntará al norte hacia el polo sur del imán.

Puede realizar el mismo experimento con un electroimán para determinar la polaridad.

Si invierte el flujo de corriente, puede ver cómo un electroimán puede invertir sus polos.

¡Este es un principio clave para construir motores! Ahora, veamos algunos motores diferentes y cómo usan imanes y electroimanes.