PRÁCTICA 5: Electromagnetismo II. Motores eléctricos 1 Introducción Un Motor Eléctrico es una máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica, es decir, a partir de corrientes eléctricas producen movimiento en una parte móvil denominada rotor. Cuando la electricidad proveniente de una batería u otra fuente de energía se conecta a un motor, la parte móvil (el rotor) empieza a girar, dentro de una estructura fija que los sustenta (la armadura). Algunos motores funcionan con fuentes de corriente continua (DC), por ejemplo, con una batería, y otros se abastecen de corriente alterna (AC). Si bien existen muchos diseños de motores eléctricos, los principios de funcionamiento son los mismos El principio físico de funcionamiento de este tipo de motores está basado en las fuerzas magnéticas que los campos magnéticos realizan sobre las corrientes eléctricas o, en el fondo, en la ley de Lorentz de las fuerzas magnéticas sobre cargas en movimiento. Los dos elementos básicos que son imprescindibles en un motor eléctrico son: Un imán permanente que produce un campo magnético constante y permanente Un circuito cerrado con una bobina (en el caso limite una espira) por el que circula corriente generada por un generador eléctrico (pila, batería) externo. En esta práctica vamos a fabricar 3 versiones diferentes de motores simples con materiales muy fáciles de encontrar y con una estructura bastante sencilla, pero que nos van a ilustrar los principios básicos del funcionamiento de estos dispositivos 2 Material e instrumental Utilizado En esta práctica se va a utilizar el siguiente material: Imanes potentes de distintos tamaños 1 metro de alambre de Cobre esmaltado (para bobinados) de 0,4 a 0,7 mm de Diámetro. Alambre grueso ó 2 alfileres de gancho grandes o 2 clips sujetapapeles grandes 2 pilas grandes (R20) 2 cables con pinzas cocodrilo y conectores para la fuente Tornillos (de algún material ferromagnético) Cables con pinzas de Caimán Cables, varios Cámara de fotos digital Alicates, tijeras Papel de lija Cinta aislante 3 Motor 1: Motor monopolar polar versión 1 Coger 1 imanes de superficie cromada esta superficie es conductora- (preguntar al profe), una pila tipo R20, un tornillo y un trozo de cable de cobre de unos10-12cm. Práctica 5: Electromagnetismo II. Motores eléctricos. 1
El imán, gracias a su fuerza magnética, forma junto con el tornillo un rotor. El conjunto tornillo-iman, (el tornillo se ha magnetizado) está suspendido de un contacto de la batería. La punta del tornillo colgante que está conectada a la batería produce una fricción muy baja. La fuerza de gravedad mantiene al rotor en posición vertical. En el ejemplo, figura 1, se usa un imán muy potente cuya superficie cromada permite la conducción de la corriente eléctrica. Con el dedo índice de una mano se aprieta un extremo del alambre a un contacto de la batería y con la otra se junta el otro extremo del alambre al imán. Así se crea un contacto cuyo roce es de baja fricción. El rotor empezará a girar muy rápidamente. El rotor, que esta formado por el tornillo y el imán, realiza dos funciones esenciales de la física: Primero proporciona un campo magnético, necesario para un motor eléctrico. Segundo conduce la electricidad de un Figura 1: Motor monopolar contacto al otro de la batería a través del alambre. PRECAUCIONES!!!!! No tengas mucho tiempo conectado el motor, el cable se calienta y además descargas la batería innecesariamente, y también la necesitarán otros compañeros. El rotor puede llegar a girar muy rápido, cuidado con por si sale disparado. La diferencia entre un motor típico y este dispositivo parece ser bastante grande, ya que en esta construcción no sólo falta la bobina que genera un segundo campo magnético, sino también el conmutador, el cual invierte el sentido de la corriente en el momento indicado. 4 Motor 2 Materiales Necesarios: Una pila alcalina de tipo ' D ' Una goma ancha Dos clips de papel grandes, o alambre grueso Un imán de cerámica rectangular Alambre esmaltado. Un tubo de plástico o papel higiénico Papel de lija Fino Opcional: Pegamento, bloque pequeño de madera para la base. Práctica 5: Electromagnetismo II. Motores eléctricos. 2
Construcción de la bobina (Rotor): 1. Para armar el motor comenzamos fabricando una bobina para lo cual utilizamos un cilindro de plástico, o una pila tipo R20 (grande), (diámetro aproximado 4 cm ) en el cilindro bobinamos el alambre haciendo entre 10 y 15 vueltas del mismo, dejando unos 5 cm en cada extremo, que serán nuestros ejes como indica la fig. 2. 2. Como se observa en la fig. 2. es conveniente hacer unos pequeños Fig. 2. Bobina rotor nudos con los extremos libres alrededor de dos extremos enfrentados de la bobina para que no se deshaga (ver figura). Los extremos libres deben estar rectos y alineados en una recta que pase (diametralmente) por el centro teórico de la bobina 12. 3. En uno de los dos extremos, utilice el papel de lija fino (o un cuter) para quitar totalmente el aislante del cable. No lijes muy cerca de la bobina. 4. En el otro extremo, ponga la bobina plana sobre una superficie y líjelo suavemente sólo por la parte superior para eliminar el aislamiento de sólo la mitad superior del cable. Construcción de la estructura de sustentación del rotor (armadura). 5. Doblad los dos clips de papel de la siguiente forma (unos alicates planos o de punta pueden ser útiles aquí). También podéis usar el alambre grueso (no esmaltado). Se utilizaran como soporte de giro del rotor y conducirán la corriente eléctrica hasta la bobina 6. Fijad con una goma el imán de cerámica en la cara de la batería y colocar los clips o alambres fabricados en el punto anterior según lo mostrado: Funcionamiento 7. Colocad la bobina en la horquilla formada por los extremos de los clips. Es posible que tengáis que ayudarla a empezar a girar pero debe comenzar a girar 1 Esto facilitara el equilibrado final de la bobina y lograremos mejores y mas rápidos resultados 2 Nota: Asegúrese de centrar los dos extremos de los dos lados de la bobina. El balance es importante. Es aconsejable poner una gota del pegamento donde el extremo del cable envuelve la bobina para evitar que se deslice. Práctica 5: Electromagnetismo II. Motores eléctricos. 3
rápidamente. Si no gira, aseguraos de que ha sido eliminado todo el aislante de los extremos del cable. Si gira irregularmente, aseguraos de que los extremos están alineados y centrados en los laterales de la bobina. 8. Puede ser que también ayude el doblar los extremos de la bobina un poco, de modo que como se desliza a la derecha o a la izquierda, los dobleces lo mantengan la posición apropiada. Aquí tenéis un diagrama del motor acabado: 9. Dad la vuelta a la bobina lentamente a mano y sentid la atracción magnética en cada posición de la bobina. 5 Motor 3. Motor unipolar versión 2 Este motor tiene el mismo principio de funcionamiento del motor homopolar de la sección 1. Pero en este caso el rotor será un cable conductor tal y como indica la figura. Práctica 5: Electromagnetismo II. Motores eléctricos. 4
6 Actividades: 1. Investigad y documentaos sobre la estructura y el funcionamiento de los motores eléctricos (en especial los de corriente continua). Describid (no hace falta que os extendáis mucho) los principios básicos del funcionamiento de un motor. Citad los tipos más habituales de motores eléctricos con una breve descripción de sus características/principio de funcionamiento. 2. Para los motores de las secciones 1 y 3: Explicad el principio de funcionamiento de estos dos motores, ayudaos de diagramas y dibujos donde se muestren las fuerzas magnéticas. PISTA: Empezad intentando explicar el último motor. Trata de pensar como serían las fuerzas magnéticas (dirección y sentido) sobre las corrientes que circulan por los conductores. 3. Para el motor de la sección 2: Haced unos gráficos que muestren las diversas posiciones de la bobina y describa cómo varían las fuerzas en cada posición. Explicad con la mayor claridad posible porque funciona este motor. Práctica 5: Electromagnetismo II. Motores eléctricos. 5