Teoría Ejercicios

Introducción

Los motores eléctricos convierten energía eléctrica en energía mecánica (movimiento), mientras que los generadores realizan el proceso inverso: convierten energía mecánica en energía eléctrica. Ambos dispositivos se basan en los principios del electromagnetismo descubiertos por Faraday y otros científicos del siglo XIX. En esta práctica construirás versiones simples de estos dispositivos usando materiales accesibles.

Fundamentos Teóricos

Motor Eléctrico

Se basa en la fuerza de Lorentz: cuando una corriente eléctrica circula por un conductor situado en un campo magnético, el conductor experimenta una fuerza perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético.

Ley de Laplace: \(F = B \times I \times L \times \sin(\theta)\) Donde:

-\(F\) : fuerza (N)

\[ -\(B\) : campo magnético (T)\]
-\(I\) : intensidad de corriente (A)
\[ -\(L\) : longitud del conductor (m)\]
-\(\theta: ángulo entre el campo y la corriente\)

Generador Eléctrico

Se basa en la Ley de Faraday-Lenz: cuando un conductor se mueve en un campo magnético (o el campo magnético varía), se induce una corriente eléctrica en el conductor. La corriente inducida se opone al cambio que la produce.

Ley de Faraday: \(\varepsilon = - \frac{d\Phi}{dt}\) Donde:

-\(\varepsilon: fuerza electromotriz inducida (V)\) -\(\Phi: flujo magnético (Wb)\) -\(t\) : tiempo (s)\(\)

Experimento 1: Motor Eléctrico Simple

Material Necesario

  • Alambre de cobre esmaltado (aprox. 1 metro)
  • Pila o batería (1.5V o 9V)
  • 2 imanes de neodimio potentes
  • 2 clips metálicos o alfileres de seguridad
  • Base de madera o cartón
  • Cinta adhesiva
  • Papel de lija fina

Construcción del Motor

Enrollar el alambre de cobre formando una bobina plana (5-7 vueltas) Dejar dos extremos libres de unos 5 cm para los ejes Lijar completamente uno de los extremos para eliminar el esmalte Lijar solo la mitad superior del otro extremo (contacto intermitente) Doblar los clips para formar soportes en forma de horquilla Fijar los clips a la base con cinta adhesiva Colocar los imanes debajo de la bobina Apoyar los ejes de la bobina en los clips Conectar los clips a los polos de la batería Dar un pequeño impulso a la bobina para iniciar el giro

Funcionamiento

La corriente circula por la bobina creando un campo magnético. Este campo interactúa con el campo del imán permanente generando una fuerza que hace girar la bobina. El lijado parcial de uno de los ejes interrumpe la corriente en el momento adecuado, permitiendo que la bobina continúe girando por inercia hasta que vuelve a recibir impulso.

Experimento 2: Generador Eléctrico Simple

Material Necesario

  • Alambre de cobre esmaltado (2-3 metros)
  • Tubo de cartón (de papel higiénico)
  • Imanes cilíndricos de neodimio
  • LED
  • Cinta adhesiva
  • Papel de lija

Construcción del Generador

Enrollar el alambre alrededor del tubo (100-200 vueltas) Fijar el bobinado con cinta adhesiva Lijar los extremos del alambre para eliminar el esmalte Conectar los extremos del alambre al LED Juntar varios imanes formando un cilindro Introducir y sacar rápidamente los imanes del tubo Observar cómo se enciende el LED

Funcionamiento

Al mover los imanes dentro de la bobina, el flujo magnético que atraviesa la bobina varía con el tiempo. Esta variación induce una corriente eléctrica en el alambre (Ley de Faraday) que es suficiente para encender brevemente el LED.

Experimento 3: Generador de Manivela

Construcción Avanzada

Puedes mejorar el generador anterior añadiendo:

  • Un eje que permita girar los imanes continuamente
  • Una manivela para hacer girar el eje
  • Más espiras en la bobina para mayor voltaje
  • Un capacitor para almacenar energía
  • Un puente de diodos para rectificar la corriente

Conceptos Clave

Campo magnético: Región del espacio donde actúan fuerzas magnéticas Flujo magnético: Cantidad de líneas de campo que atraviesan una superficie Inducción electromagnética: Producción de corriente por variación del flujo magnético Corriente alterna (AC): Corriente que cambia de dirección periódicamente Corriente continua (DC): Corriente que fluye en una sola dirección Fuerza electromotriz (fem): Voltaje inducido en un circuito

Aplicaciones en la Vida Real

Motores Eléctricos

  • Electrodomésticos (lavadoras, ventiladores, batidoras)
  • Vehículos eléctricos e híbridos
  • Herramientas eléctricas (taladros, amoladoras)
  • Sistemas de transporte (trenes, metros)
  • Robótica e industria

Generadores Eléctricos

  • Centrales eléctricas (hidroeléctricas, térmicas, nucleares)
  • Aerogeneradores (energía eólica)
  • Dinamos de bicicleta
  • Generadores de emergencia
  • Alternadores de automóviles

Observaciones y Mejoras

Usar imanes más potentes aumenta la fuerza en motores y el voltaje en generadores

Más espiras en la bobina aumentan el campo magnético o el voltaje inducido

La velocidad de rotación es proporcional al voltaje en generadores

Los motores reales usan conmutadores para cambiar la dirección de la corriente

Los generadores industriales usan bobinas fijas y rotor con imanes (o viceversa)

Preguntas para Reflexionar

  • ¿Por qué necesitamos lijar solo la mitad de uno de los ejes en el motor?
  • ¿Qué pasaría si usáramos corriente alterna en lugar de continua en el motor?
  • ¿Por qué el LED se enciende en ambas direcciones al mover el imán?
  • ¿Cómo se relaciona la energía mecánica que aplicamos con la eléctrica generada?
  • ¿Podrías usar el motor como generador y viceversa?

Precauciones de Seguridad

  • Usar gafas de protección al trabajar con herramientas
  • Los imanes de neodimio son muy potentes - evitar pellizcos
  • No acercar los imanes a dispositivos electrónicos o tarjetas magnéticas
  • Tener cuidado con las pilas - no provocar cortocircuitos
  • El alambre puede calentarse si pasa demasiada corriente
  • Supervisión adulta recomendada para estudiantes jóvenes