obradoiro de magnetismo e electromagnetismo xii

OBRADOIRO DE MAGNETISMO E ELECTROMAGNETISMO
XII XORNADAS DE TECNOLOXÍA
APETEGA
Antonio Lomba Baz
http://youtu.be/kXKQxPmcaDs
EXPERIENCIAS DEMOSTRATIVAS.
1. Compás caseiro
2. Antigravidade
3. Canón de Gauss
4. Escultura magnética. O lapis máxico
5. Experiencia de Oersted
6. Disco levitante
7. Campo magnético xiratorio xerado por unha corrente trifásica
8. Motor simple con pila cilíndrica
9. Motor eléctrico tripolar con imáns permanentes
10.Motor Mendocino (Motor de enerxía fotovoltaica con rotor levitante)
11.Motor eléctrico simple de enerxía fotovoltaica.
OBRADOIRO PRÁCTICO
12.Construción dun motor eléctrico simple
ANEXOS
Anexo I. Proceso de construción dun motor eléctrico simple
Anexo II. Porceso de construción dun motor eléctrico tripolar.
EXPERIENCIAS DEMOSTRATIVAS.
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Compás caseiro
Descrición
Material
A terra ten un poderoso campo magnético, compórtase coma se fora un
enorme imán. Este comportamento da terra débese a que no seu núcleo prodúcense
movementos de metais, principalmente ferro fundido..
O coñecemento da orientación do campo magnético da terra permite que nos
poidamos orientar utilizando o compás. Un compás está formado por unha agulla
imantada que xira, co mínimo rozamento, arredor dun eixe. Esta agulla acóplase co
campo magnético terrestre, de tal maneira que a parte da agulla orientada cara ao
norte correspóndese co seu polo sur magnético.
A construción dun compás caseiro é sinxela, hai que imantar unha agulla por
frotación, frotándolla contra un dos polos do imán durante 15 ou 20 segundos (se
queremos que a punta indique ao norte debemos frotala co polo sur do imán). A
continuación colocámola sobre un elemento xiratorio con moi pouco rozamento.
Neste caso un disco de cortiza que flota sobre auga.
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Unha agulla de coser
Un disco de cortiza
Un imán potente
Un recipiente con auga.
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Antigravidade
Descrición
Material
Nesta experiencia compóbase a caída ralentizada dun imán de neodimio polo
interior dun tubo de cobre. A experiencia repítese cun tubo pechado e un aberto cun
corte lonxitudinal, compáranse as velocidades de caída e reflexionase sobre os
motivos da ralentización. Nun principio os motivos poden ser dous.
• Xeración dun campo magnético oposto ao do imán por efecto da indución
electromagnética de Faraday-Henry e a lei de Lenz..
• Diamagnetismo. Algúns materiais, entre eles o cobre, cando se colocan no
interior dun campo magnético, magnetízanse en sentido contrario ao campo.
Os materiais que teñen esta propiedade denomínanse diamagnéticos.
Este experimento servirá para deducir cal dous fenómenos mencionados ten
máis influencia na ralentización da caída dos imáns.
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Un tubo de cobre pechado
Un tubo de cobre aberto
2 imáns redondos de neodimio de 6 mm de diámetro.
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Canón de Gauss
Descrición
Material
Este dispositivo utiiza unha sucesión de imáns e bolas para acelerar
magneticamente un proxectil, neste caso unha bola de aceiro. O deseño deste canón
basease no péndulo de Newton, no que unha serie de bolas que están en contacto
transmiten o impulso dunha que golpea na primeira ata a ultima, que sae disparada.
Neste experimento o impulso inicial é aportado por unha bola atraida por un imán
que transmite o impulso a última de varias que están unidas por unha forza
magnética, facendo que a ultima sala disparada a vez que é atraida polo imán
seguinte. Así prodúcese unha reacción en cadea que vai acelerando as bolas ata que
a última sae disparada.
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Canón
◦ Caneleta plástica
◦ Cinta illante
◦ Imáns de neodimio
bolas de aceiro.
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Escultura magnética. O lapis máxico
Descrición
Material
Esta montaxe está formada por unha estrutura decorativa, realizada en
madeira maciza de sapelli, para situar a unha altura precisa un imán e conseguir que
un lapis se manteña en posición vertical coa punta afiada apoiada sobre un disco
metálico prateado
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Madeira de sapelli
Lapis
Imáns
Prato dun disco duro
Tirafondos
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Experiencia de Oersted
Descrición
Material
En 1820 o científico danés Hans Cristian Oersted descubriu o electromagnetismo,
fenómeno polo cal, unha corrente que circula por un condutor xera un campo
magnético arredor del e cuxas liñas de forza seguen a regra da man dereita ou do
sacacorchos
A experiencia que se realiza é a mesma que, segundo contan as crónicas,
realizou Oersted. Faise circular unha corrente por un condutor conectado a unha pila
de 4,5 voltios e sitúase nas proximidades del un compás. A agulla imantada do
compás xira polo campo magnético provocado pola corrente eléctrica no sentido das
liñas de forza do campo.
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Caixa de metacrilato con condutor.
Pila de petaca (4,5V) ou pila de 9 V
Cables de conexión
Compás.
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Disco levitante
Descrición
Material
Un disco de plástico, dos que veñen nas tarrinas dos CD´s, pode facerse
levitar coa axuda de pequenos imáns de neodimio que se poden adquirir por internet
ou conseguir desmontando as barras dun xogo magnético, como por exemplo
“MadMag”.
Para conseguir a levitación de maneira sinxela o disco móntase, cos imáns
colocados da forma adecuada, sobre a barra central da tarrina que lle serve de guía
para evitar a desestabilización
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Unha tarrina de CD´s ou DVD´s baleira
Dous discos plásticos como os que veñen nas tarrinas
Imáns de neodimio. Para que flote un disco de forma estable poden utilizarse
aproximadamente 40 imáns
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Campo magnético xiratorio xerado por unha corrente trifásica
Descrición
Material
e
ferramentas
Os motores trifásicos basean o seu funcionamento na xeración dun campo
magnético xiratorio que se crea no estator dos mesmos. Este campo prodúcese polo
desfase de 120º entre cada unha das fases das liñas trifásicas.
Para mostrar este fenómeno realízanse dúas experiencias.
• Introdución dun compás no estator dun motor de indución asíncrono
trifásico para observar como a agulla imantada do compás se acopla ao
campo magnético xiratorio. Con este experimento obsérvase como un imán
se acopla ao campo magnético.
• Introdución dunha bola de aceiro no interior do campo magnético xiratorio.
A bola atraida polo campo magnético xirará igual que o facía a agulla do
compás.
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Transformador 380/38
Estator dun motor trifásico.
3 Cables de conexión
Elemento de apoio do compás e do vaso.
Compás.
Vaso de cristal para xiro da bola
Bolas de aceiro.
Alicates
Desaparafusador
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Motor simple con pila cilíndrica
Descrición
Material
Este é, probablemente, o motor de funcionamento continuo máis simple que
se pode construír. Unha pila cilíndrica en vertical serve de apoio e guía a un
condutor que ten a forma adecuada para que xire a vez que conduce a corrente entre
o positivo e o negativo da pila. O campo magnético que se produce fai que o
condutor interactúe cun imán sobre o que se apoia a pila.
Cando a espira condutora toca no imán, pegado no polo positivo da pila, pasa a
corrente e créase un campo magnético arredor do condutor que o impulsa.
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Pila de 1,5V
Dous imáns de neodimio de 6 mm de diámetro
Unha moeda de 0,05 € para base do motor
Unha bobina de unha espira.
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Motor eléctrico tripolar con imáns permanentes
Descrición
Material
A observación do funcionamento deste motor de construción artesanal ilustra
de maneira moi clara como funcionan os motores de corrente continua. O
funcionamento deste tipo de motores baséase na atracción e repulsión entre as
bobinas e os imáns permanentes gracias a conmutación que se produce entre as
escobillas e o colector de delgas.
Xunto con este motor achégase o proxecto de construción do mesmo, o que
permitirá analizar o proceso de elaboración do motor. Dispoñer deste proxecto é
interesante para quen queira construir este motor.
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Motor eléctrico artesanal de tres polos
Pila de 9 V
Proxecto do motor.
Máis
http://www.tecnoloxia.com/index.php/electricidade/213-o-meu-vello-motorinformación electrico.html
http://youtu.be/b9mQDWdNL-4
Anexo II
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Motor Mendocino (Motor de enerxía fotovoltaica con rotor levitante)
Descrición
Este motor está movido pola enerxía eléctrica xerada nas células
fotovoltaicas montadas no rotor, un rotor cadrado con unha célula en cada unha das
caras. As placas solares están conectadas por parellas a cada unha das dúas bobinas
das que consta o motor. Ao circular corrente polas bobinas xérase un campo
magnético que se acopla cun imán permanente situado no estator (base).
Para poder utilizar células fotovoltaicas de pequena potencia substitúense os
apoios do motor por campos magnéticos facendo que o rotor levite sobre o estator.
Desta maneira conséguese que o motor xire aínda en condicións de pouca luz
gracias a que o efecto do rozamento nos apoios e co aire é despreciable..
Material
Motor Mendocino
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Motor eléctrico simple de enerxía fotovoltaica.
Descrición
Materiais
Este motor está baseado no motor eléctrico simple homopolar de pila de
petaca. Neste caso cámbiase a pila de petaca por células fotovoltaicas. Hai que
fabricar unha base ou corpo para suxeitar os distintos elementos que forman o
motor: células e imán permanente.
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Base do motor de madeira ou plástico (polistireno ou poliuretano)
Células fotovoltaicas.
Imán
Bobina
Soportes da bobina.
OBRADOIRO PRÁCTICO
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Construción dun motor eléctrico simple
Descrición
Material
Este motor está constituído por unha bobina con unhas poucas espiras xira
apoiada sobre dous clips que están enganchados a unha pila de petaca.
A construción dun motor eléctrico simple é un miniproxecto orientado a 2º
ESO que se pode realizar nunha ou dúas sesións. O principal obxectivo desta
práctica é que os alumnos comprendan e sexan capaces de aplicar o principio do
electromagnetismo á construción dun motor eléctrico. A sinxeleza desta máquina
favorece a comprensión do fenómeno.
A realización desta práctica na aula resulta moi gratificante pola gran
motivación que produce nos alumnos a obtención de resultados moi vistosos nun
curto período de tempo
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Unha pila de petaca (4,5V)
Un imán de ferrita (pode utilizarse calquera tipo de imán)
70 cm de fío de cobre esmaltado de 0,5 mm de diámetro.
Dúas gomas de caucho.
Dous clips
Un alicates de puntas
Un rotulador de pizarra branca ou calquera corpo cilíndrico para construír a
bobina
Un cuter
Máis
http://www.tecnoloxia.com/index.php/electricidade/250-motor-electrico-simple.html
información http://youtu.be/9C23HqrZFk0
Anexo I
ANEXO I
Obradoiro de magnetismo e electromagnetismo
Proceso de construcción dun motor eléctrico simple
Clip para escobilla.
Doblado do clip 1
Doblado do clip 2
Doblado do clip 3
Doblado do clip 4
Doblado do clip 5
Montaxe do estator 1
Montaxe do estator 2
Montaxe do estator 3
Montaxe do estator 4
Bobina 1
Bobina 2
Construcción de un motor
ANEXO II
CONSTRUCCIÓN DE MOTORES
Tipo de actividad: montaje
Agrupamiento: equipos de 2 alumnos
1.- Material necesario.
LISTA DE MATERIALES
Nº Cantid.
Material
1
1
Radio de bicicleta
2
1
Palo de Chupa-Chups
3
1
Rotulador
Observaciones
utilizaremos la tapa trasera
4
Hilo de cobre de 0,5 mm de diámetro
5
Pegamento de contacto
6
Lámina de cobre
7
Hojalata
8
Hilo de coser fuerte
9
Lija fina
bornes de las pilas de petaca
10
3
Tornillos de M6
6 mm de diámetro
11
3
Tuercas de M6
12
3
Arandelas M6 de diámetro grande
13
1
Tuerca ancha
14
2
Imanes de puerta
15
Cinta aislante
16
Tirafondos pequeños
opcional
17
Chapa de aglomerado de 8 mm
tabla gruesa de caja de frutas
18
2
Pilas de petaca
19
2
Chapas de 1/2 ó 1 mm.
de los imanes de puerta
5
1
Construcción de un motor
2.- Dibujos de apoyo del vídeo .
A Eje
B Núcleo
1º Control: Comprobamos el contacto entre los 4 elementos que forman el núcleo (tornillos y tuerca).
Acoplamos un imán al extremo de un tornillo y comprobamos que los extremos de los otros dos atraen
pequeños clavos o trozos de hojalata
6
2
Construcción de un motor
C Rotor
Nota: Para realizar las bobinas daremos 160 vueltas para cada una de ellas.
2º Control: Comprobamos que las bobinas funcionan como electroimanes. Conectamos un polo de la pila
al extremo de la bobina y el otro polo al núcleo de hierro y conseguimos un electroimán que podrá sostener
un peso considerable. Realiza la comprobación para las tres bobinas
D Base
7
3
Construcción de un motor
3.- Procesos de los cambios respecto del vídeo.
3.1 COLECTOR DE DELGAS
1: Preparamos las tres delgas curvando ligeramente
la lámina de cobre (pieza 6) o de hojalata para
montarlas sobre el eje
2: Regruesamos con cinta aislante la zona del eje
donde montamos las delgas
3: Preparamos los extremos de las bobinas, los
rascamos para quitarle el barniz y sobre la zona
regruesada llevamos cada extremo frente a la bobina
contigua
4: Situamos las tres láminas (delgas) sobre los hilos
de cobre, cuidando de que queden paralelas y
simétricas. Con hilo de coser o cinta aislante
sujetamos los extremos de las delgas dejando
descubierta una zona de 5 mm como mínimo.
3º Control: Contacto entre las delgas y los hilos que están debajo. Realizamos la comprobación anterior,
de bobinas como electroimanes, uniendo un polo de la pila al núcleo y con el otro tocando cada una de las
delgas
3.2 MONTAJE DEL ROTOR SOBRE LA BASE (ESTATOR)
1: Sobre un rectángulo de contrachapado, más ancho
que el diámetro de la circunferencia máxima de giro
del motor y un poco mas largo que la longitud del eje,
montamos 2 chapas en ángulo, pegadas o
atornilladas sobre dos pequeños tacos. Previamente
se habrá realizado sobre las chapas los agujeros
para introducir el eje del motor. Este agujero quedará
a una altura mayor que el radio máximo de giro del
motor para que no toque en la base.
8
4
Construcción de un motor
2: Montamos el rotor sobre los apoyos y para evitar
que se salga (posicionamiento axial) utilizamos 2
arandelas plásticas o metálicas dobladas.
4º Control: Comprobación del giro del rotor montado. Damos un pequeño impulso al rotor y observamos
que gira libremente y con facilidad
3: Sobre la base en la que tenemos montado el rotor
tenemos que montar los imanes. Sobre unos tacos y
a la altura que coincida con la bobina en horizontal,
pegamos los imanes en los tacos, de manera que se
enfrenten polos opuestos. A continuación pegamos
los tacos en la base de forma que los imanes queden
muy próximos al extremo de las bobinas sin tocarse.
3.3 FIJAMOS LAS ESCOBILLAS A LA BASE
5º Control: Comprobación del giro del motor a la máxima velocidad con las escobillas móviles. Haremos
contacto con las escobillas en las delgas y las vamos girando en paralelo hasta que el motor gira a las
máximas revoluciones. Si es necesario giramos el colector de delgas para que las escobillas queden en
vertical
1: Realizamos con hojalata 2 escobillas con un
agujero para fijarlas a un taco y otro para conectar el
cable.
2: Las clavamos sobre un taco pequeño de manera
que cuando las acoplemos a la zona del colector de
delgas realicen sobre éste una pequeña presión.
3: Damos corriente a las escobillas, respetando los
polos de la pila y posición de las escobillas móviles y
comprobamos que el motor arranca en cualquiera de
las 6 posiciones de reposo. Si falla en algunas
movemos ligeramente las delgas para que se
produzca el arranque. para que el arranque sea
óptimo una de las escobillas tocará en 2 delgas a la
vez.
arranca bien
tiene dificultades
6º Control: Comprobamos que el motor gira con las escobillas fijas aunque tengamos que darle una
pequeña ayuda
7º Control: Comprobamos el arranque del motor en cualquiera de las 6 posiciones
9
5
Construcción de un motor
6
4.- Ejercicios voluntarios.
- Diseña y construye un interruptor de para suministrar corriente al motor.
- Representa el esquema eléctrico del conjunto.
NOTAS:
Para vencer la inercia en el arranque y conseguir más potencia, en caso de ser
necesario, utilizamos 2 pilas de petaca conectadas en serie.
Si queremos mejorar el rendimiento del motor hemos de procurar que la presión de
las escobillas no sea muy grande pero que el contacto sea bueno (lijamos escobillas y
delgas antes del montaje). Además lubricaremos con aceite los apoyos del eje y dejaremos
un poco de juego entre los apoyos y las arandelas de posicionamiento axial.
10
Construcción de un motor
4.- Hoja de control.
FICHA DE CONTROL
Alumnos:
Curso:
COMPROBACIÓN
1º
SUPERVISADO FECHA
OBSERVACIONES
Contacto entre los 4 elementos que
forman el núcleo (tornillos y tuerca)
2º
Las bobinas
electroimanes
funcionan
como
3º
Contacto entre las delgas y los hilos
que están debajo
4º
El rotor montado en la base gira con
facilidad
5º
El motor gira a la máxima velocidad
con las escobillas móviles
6º
El motor gira con las escobillas fijas
(podemos ayudarle para que
arranque)
7º
Arranque del motor en cualquiera de
las 6 posiciones de reposo
NOTA: En las observaciones anotaremos los problemas que encontramos cuando la comprobación no
es satisfactoria al primer intento, y las soluciones que adoptamos para arreglar los problemas.
11
7