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1 Science Lab Desafíos de Ingeniería Desafíos anteriores Este Desafío de Ingeniería de SEED consiste en construir el mejor electroimán que puedas. Tu electroimán será evaluado por el peso que pueda levantar, por lo tanto, el "mejor" electroimán será aquel que levante los objetos más pesados. Como en cualquier problema de ingeniería, hay límites y requisitos que debes cumplir. Éstas son las normas que debes seguir: 1. Puedes usar como máximo 250 cm de cable. No hay un valor mínimo. 2. El cable no puede tener un grosor inferior a 20 AWG (American Wires Gauge). (Cuanto mayor sea el valor del grosor, más fino será el cable, por lo tanto un cable grosor 20 AWG es el más grueso que puedes usar.). 3. Puedes usar cualquier cosa para el núcleo o no usar ningún núcleo. 4. El electroimán puede ser de cualquier forma o tamaño. 5. La fuente de energía debe ser una única batería de 1,5 voltios, de tamaño D como máximo. 6. Puedes usar cualquier material ferromagnético, como hierro, níquel o acero, depende del peso que levantes. Puedes intentar levantar un único objeto o varias cosas pequeñas, como sujetapapeles o clavos. Lo que importa es el peso total. Después de construir tu electroimán, envíanos las fotos y la descripción de lo que hiciste juntamente con tus resultados. Los publicaremos aquí en el Centro de Ciencias SEED. Seguridad 1. Utiliza una sola batería de 1,5 voltios, de tamaño D como máximo, según lo especificado. Los voltajes más altos pueden provocar un choque eléctrico y una batería más grande, aunque sea de sólo 1,5 voltios, puede causar un peligroso recalentamiento de algunos electroimanes. 2. Aún tomando las precauciones del punto 1, tu electroimán puede calentarse. Si esto sucede, desconéctalo inmediatamente.

2 - 2 - Qué es un Electroimán? Cuando la electricidad pasa a través de un cable se produce un campo magnético. La mayoría de los electroimanes están hechos de cable enrollado alrededor de un núcleo de hierro o acero. Aquí tienes un ejemplo que usamos en el experimento de relajación magnética. El cable está enrollado alrededor de un sujetapapeles estirado y está sujeto a un extremo de la batería. Cuando se une el extremo suelto del cable al otro extremo de la batería, la electricidad pasa a través del cable y el sujetapapeles se magnetiza. Esto ocurre porque los átomos de hierro del sujetapapeles están distribuidos en grupos que se conocen como dominios. Estos son como pequeños imanes y cada uno de ellos tiene un polo norte y un polo sur. Generalmente están mezclados y apuntando a cualquier lado y así sus campos magnéticos se anulan entre sí. Cuando los dominios están alineados en la misma dirección, el metal funciona como un imán. Cuando la electricidad pasa a través del cable que está enrollado alrededor del sujetapapeles, los dominios se alinean. Otro tipo de imán es el imán permanente, como los que tú quizás pegas en el refrigerador. Un imán permanente está hecho de hierro u otro metal ferromagnético como el níquel o el cobalto. Cuando se fabrica el imán los dominios se alinean y permanecen así.

3 - 3 - Cómo construimos y probamos nuestro electroimán Aseguramos un extremo del cable al tornillo, dejando algunos centímetros libres al costado. El siguiente paso fue enrollar el cable sobre el tornillo en capas, yendo hacia delante y hacia atrás hasta utilizar casi toda la longitud de los 250 cm, excepto algunos centímetros. Enroscamos los dos extremos libres juntos. Usando un pelacables, retiramos casi 2 cm del aislamiento de cada extremo del cable. También se puede usar un cuchillo en lugar del pelacables. Podríamos haber usado un cable esmaltado, ya que el esmalte es un tipo de pintura que aísla el alambre de la misma manera que el plástico. Con una lija se puede retirar el esmalte de los extremos del cable.

4 - 4 - Para usar el electroimán, aseguramos los extremos de la bobina del cable en la batería y levantamos algunos sujetapapeles. Este electroimán levantó 21 sujetapapeles. Estos fueron los mismos sujetapapeles que utilizamos para el Desafío del Bote de Arcilla. Pesamos los sujetapapeles y determinamos que, en promedio, cada uno pesaba 0,52 gramos. De esta manera, nuestro electroimán levantó 10,92 gramos; nada impresionante. Sin duda, tú podrás hacerlo mejor.

5 - 5 - Recomendaciones Existen varios factores que afectan la fuerza de un electroimán. Te presentamos algunas cosas que debes tener en cuenta al diseñar y construir el tuyo: Cuanto más vueltas tenga el cable, más fuerte será el campo magnético. Tienes un límite de 250 cm de cable. Probablemente debas utilizar todo eso. El número de vueltas que logres hacer con una determinada longitud de cable depende de la forma en que lo enrollas. La prolijidad es muy importante. Cuanto mayor sea el diámetro de la bobina, más fuerte será el campo magnético. Sin embargo, como estás limitado a una longitud fija de cable, si aumentas el diámetro de la bobina podrás dar menos vueltas. La longitud de la bobina influye en la fuerza del electroimán. Si la longitud de la bobina es igual al radio, entonces al aumentarlo aún más, se reducirá la fuerza del electroimán. Y de esta manera se complica la relación entre el radio y la longitud. El experto de SEED, Ramón Hernandez, da su explicación sobre Cómo el radio y la longitud de una bobina electromagnética afectan su fuerza*. Cuanto más corriente atraiga el electroimán, más fuerte será el campo magnético. Como fijamos el voltaje en 1,5v, la resistencia de la bobina determina la cantidad de corriente que atraerá. De acuerdo con la Ley de Ohm: I = V / R, donde I es la corriente, V es el voltaje y R es la resistencia. Cuanto más fino es el cable, mayor será la resistencia. La cantidad de corriente que el electroimán atrae en realidad puede ser menor que la que determina la Ley de Ohm. El límite adicional es la fuente de energía, que tiene una corriente máxima que puede suministrar. No todas las baterías de 1,5v son iguales en ese sentido. Una batería tamaño D tiene una capacidad mayor que una pila AAA. Además, existen varios tipos de baterías del mismo tamaño. Nosotros usamos una alcalina. También existen baterías económicas de carbono y zinc, así como una variedad de tipos recargables, incluso las de Níquel-Cadmio. Finalmente, una batería nueva tiene mayor capacidad que la que ha sido utilizada por un tiempo.

6 - 6 - *Cómo el radio y la longitud de una bobina electromagnética afectan su fuerza Tamaño de la bobina: radio La inducción magnética en el centro de un extremo de un solenoide largo con ensambladura de espiral es: La fuerza del imán será proporcional a la energía almacenada en el campo magnético: Observa que las expresiones de la derecha son únicamente válidas para un solenoide con l > r. A partir de la ecuación anterior, vemos que la energía es proporcional al radio al cuadrado, indicando que, cuanto mayor sea el radio, mayor será la energía. Sin embargo, tenemos una determinada longitud de hilo magnético y cuanto mayor es el radio, menor es el número de vueltas. En realidad: Y reemplazando N en la ecuación de energía: Como podemos ver, el radio al cuadrado en el numerador cancela el radio al cuadrado en el denominador. Conclusión: dada la longitud limitada del hilo magnético, el campo de energía es bastante independiente del radio de la bobina y, por consiguiente, la fuerza del imán también. Es preferible una forma redonda porque ofrece una sección transversal máxima con un perímetro mínimo.

7 - 7 - Tamaño de la bobina: longitud Vemos en la ecuación de energía que la longitud de la bobina está en el denominador y esto nos puede llevar a creer equivocadamente que, cuanto más corta sea la bobina, mejor. Pero recuerda la aproximación que hicimos en el cálculo de energía sobre la bobina que era mucho más larga que su diámetro. Si observamos la primera parte de la ecuación de energía, notamos que es proporcional a la inducción magnética B. Por lo tanto, debemos medir nuestra bobina para maximizar B. En la expresión para B en la última página, vemos que la longitud l está en el denominador, pero esta longitud define también el símbolo. Para l muy pequeño y aumentando, el aumentará proporcionalmente para l, cancelando el efecto de la longitud de la bobina en el denominador. A medida que el aumenta por encima de los 45 grados, el coseno aumentará más lentamente y B disminuirá. Es difícil evaluar analíticamente estos factores. Aquí es donde el diseño de la bobina se transforma en un arte. Un modelo de elemento finito permitirá cambiar la longitud a la relación del radio y así observar donde está la máxima energía. Como regla general, sugerimos que intentes empaquetar la bobina en una longitud de aproximadamente una o dos veces el radio y ver cuál produce mayor fuerza. (Si l = r la intensidad del campo aún es el 70% del máximo.) Al empaquetar la bobina en más de una capa se aumentará su diámetro efectivo, pero aumentarán las vueltas por longitud unitaria.

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