Electroimán con interruptor

Qué va a aprender

• Que una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor y que enrollar el cable en espiras lo concentra.
• Que un núcleo de hierro multiplica ese campo cientos de veces (los dominios magnéticos del hierro se alinean).
• Que la fuerza del electroimán depende de las vueltas y de la corriente (amperios-vuelta) y se puede medir contando clips.
• Que un electroimán se enciende y se apaga, a diferencia de un imán permanente, y que el acero puede quedar algo imantado.
• Que un cable sin resistencia gasta mucha corriente y se calienta: por eso usamos un pulsador y pruebas cortas.

Prepara antes

• Comprueba con un imán de nevera que el clavo es de acero: si no se pega, busca otro.
• Imprime las plantillas al 100 % y comprueba que la base A mide 90 mm.
• Corta 3 m de alambre por electroimán y enróllalo en un rollo de cartón para que no se enrede.
• Ten una pila de petaca nueva: con una gastada el electroimán apenas levanta 1–2 clips.
• Prepara un plato con 30 clips sueltos (no enganchados entre sí) para las pruebas.

Materiales y herramientas

• Alambre de cobre esmaltado — 3 m (4,5 m más si haces también las bobinas de 50 y 150 vueltas del experimento) comprar
  Ø 0,5 mm (AWG 24), esmalte rojizo o transparente
• Clavo grande de acero — 1
  100 mm × 4–5 mm, normal o galvanizado (un imán de nevera se pega a él)
• Pila de petaca 4,5 V — 1 comprar
  3LR12 alcalina, con las dos láminas de contacto
• Clips pequeños metálicos — 30
  de 28–33 mm, sin plastificar, todos iguales (≈ 0,5 g cada uno)
• Cinta adhesiva — 40 cm
  de embalar o aislante
• Papel de aluminio de cocina — 1 trozo de 10 × 10 cm
  para los contactos del pulsador
• Cartón corrugado — 1 trozo de 20 × 15 cm
  3 mm, de caja de envíos
• Papel de lija fino — 1 trozo de 5 × 5 cm
  grano 150–240
• Imán de nevera — 1
  solo para comprobar que el clavo es de acero

Herramientas

• Alicates de corte o tijeras viejas — cortar el alambre
• Regla — medir puntas, bobina y piezas del pulsador
• Tijeras — cortar las piezas de cartón y el aluminio
• Pegamento de barra o cola blanca — pegar las capas del pulsador
• Rotulador — marcar la zona de bobinado en el clavo

Piezas y plantillas

• A · Base del pulsador ×1 — cartón corrugado 3 mm
• B · Palanca del pulsador ×1 — cartón corrugado 3 mm
• C · Separadores ×3 — cartón corrugado 3 mm
• D · Contactos de aluminio ×2 — papel de aluminio doblado en 4 capas
• E · Guía de bobinado ×1 — papel
• F · Alambre de la bobina ×1 — alambre de cobre esmaltado Ø 0,5 mm

Paso a paso

1. Comprueba el clavo

   Acerca un imán de nevera al clavo de 100 mm. Si se pega, sirve. Pon el clavo junto a la guía E y marca con rotulador la zona de bobinado: de 25 a 55 mm desde la cabeza.

   Comprueba: El imán se pega con fuerza y tienes dos marcas separadas 30 mm.

2. Sujeta el principio del alambre

   Deja libres 20 cm de alambre y pega ese punto al clavo junto a la primera marca con un trocito de cinta de 2 cm. Esa será la punta 1.

3. Primera capa de 50 vueltas

   Enrolla el alambre bien apretado, vuelta junto a vuelta, siempre girando en el mismo sentido, desde la primera marca hasta la segunda. Cuenta en voz alta: deben salir unas 50 vueltas en los 30 mm.

   Truco: Haz una raya en un papel cada 10 vueltas para no perder la cuenta.

4. Segunda capa de 50 vueltas

   Sin cortar ni cambiar el sentido de giro, vuelve enrollando por encima de la primera capa desde la segunda marca hasta la primera, otras 50 vueltas. Así las dos puntas acaban en el mismo lado.

   Comprueba: Las 100 vueltas giran todas en el mismo sentido: si inviertes el sentido a mitad, una capa anula a la otra.

5. Asegura la bobina

   Corta el alambre dejando 20 cm de punta 2. Envuelve la bobina con una vuelta de cinta adhesiva para que no se deshaga, dejando salir las dos puntas.

6. Lija las puntas adulto

   Lija los 2 cm finales de cada punta por todo su contorno, girando el alambre entre los dedos dentro de la lija doblada, hasta que el cobre brille y no quede color rojizo.

   Comprueba: Raspa con la uña: el cobre brillante no deja marca de barniz.

7. Corta las piezas del pulsador

   Recorta la base A (90 × 60 mm), la palanca B (85 × 20 mm), los 3 separadores C (20 × 20 mm) y dos rectángulos de aluminio de 60 × 32 mm. Dobla cada aluminio dos veces para obtener los contactos D de 30 × 16 mm.

8. Monta el contacto inferior

   Corta un puente de 25 cm de alambre esmaltado y lija 2 cm en cada extremo. Mete un extremo debajo de un contacto D, de forma que 1 cm de cobre quede bajo el aluminio, y pega el contacto sobre su zona de la base A con cinta solo por los bordes, dejando el centro de aluminio al aire.

   Comprueba: El cobre está aprisionado entre el aluminio y el cartón, no suelto.

9. Monta la palanca

   Pega los 3 separadores C uno sobre otro en el extremo izquierdo de la base, entre sus dos líneas (a 5 mm del borde). Coloca el segundo contacto D bajo la palanca B (de 50 a 80 mm, su línea marcada) con la punta 1 de la bobina debajo, igual que antes. Pega la zona «PEGAR» de la palanca sobre los separadores, con su extremo bien alineado con el de los separadores.

   Comprueba: Sin apretar, los dos aluminios quedan uno justo encima del otro, separados unos 9 mm; al apretar con un dedo, se tocan.

10. Conecta la pila adulto

    Enrolla 3 vueltas del otro extremo del puente en la lámina corta (+) de la pila de petaca y sujétalo con cinta. Enrolla la punta 2 de la bobina en la lámina larga (−) y sujétala igual. Ahora el circuito solo se cierra al apretar el pulsador.

11. Levanta clips

    Con una mano sujeta el clavo por la cabeza y acerca la punta al plato de clips. Con la otra, aprieta el pulsador y levanta el clavo despacio. Cuenta los clips que cuelgan.

    Comprueba: Con el pulsador apretado levanta varios clips; sin apretar, apenas atrae ninguno.

12. Suelta y observa

    Con los clips colgando sobre el plato, suelta el pulsador. Los clips caen. Si quedan 1 o 2 pegados, es el magnetismo que conserva el acero: dale un golpecito al clavo con el dedo.

13. Pruebas cortas

    No mantengas el pulsador apretado más de 10 segundos seguidos y descansa 30 segundos entre pruebas. Toca la pila y la bobina cada pocas pruebas: deben estar como mucho tibias.

    Comprueba: Si la bobina o la pila están calientes, deja 5 minutos de descanso antes de seguir.

¿Funciona? La prueba

Con la pila de petaca nueva, aprieta el pulsador, toca el plato de clips con la punta del clavo, levántalo 10 cm y cuenta los clips que cuelgan. Repite 3 veces y haz la media.

Qué debe pasar: Con 100 vueltas y 4,5 V suele levantar entre 5 y 15 clips (2–8 g), unos colgando de otros. Al soltar el pulsador caen casi todos en menos de 1 s; con un clavo de acero duro pueden quedar 1–2 pegados.

Si algo falla

• No levanta ningún clip — No pasa corriente: esmalte sin quitar, cobre suelto bajo el aluminio o pila gastada. Solución: Vuelve a lijar las puntas, aprieta las uniones con más cinta y prueba con pila nueva. Comprueba que los dos aluminios se tocan al apretar.
• Levanta muy pocos clips (1–2) — Pocas vueltas, pila de 9 V o gastada, o vueltas en sentidos contrarios que se anulan. Solución: Usa la petaca de 4,5 V, comprueba que todas las vueltas giran en el mismo sentido y añade otra capa de 50 vueltas.
• Atrae los clips aunque no aprietes — Los contactos se tocan solos (palanca caída) o el clavo ha quedado imantado. Solución: Añade otro separador C. Si el clavo está imantado, golpéalo un par de veces contra la mesa o cambia de clavo.
• La pila y la bobina se calientan mucho — Circuito cerrado demasiado tiempo: casi un cortocircuito de 2–4 A. Solución: Pruebas de máximo 10 s y descansos de 30 s. Si sigue calentándose rápido, añade más vueltas (más alambre = algo más de resistencia).
• Los clips no se caen al soltar — Remanencia: el acero del clavo (sobre todo si es duro o es un tornillo) se queda algo imantado. Solución: Es normal y se puede estudiar. Prueba con un clavo de hierro dulce más blando o golpea el clavo para desimantarlo.
• Funciona a ratos — Contacto flojo en las láminas de la pila o en el pulsador. Solución: Enrolla el cobre 3 vueltas alrededor de la lámina de la pila y aprieta los contactos con cinta solo por los bordes.

Seguridad

• No uses nunca la corriente de un enchufe ni baterías de coche o de móvil: solo pilas pequeñas de 1,5 a 9 V (la recomendada es la petaca de 4,5 V; la de 9 V funciona peor y se calienta).
• El alambre conectado casi en cortocircuito se calienta: máximo 10 segundos apretando el pulsador, y descansos. Si algo está caliente al tacto, desconecta la pila.
• Las puntas de alambre y la punta del clavo pinchan: apunta siempre hacia abajo y guarda el clavo en una caja.
• Clips y tachuelas son piezas pequeñas: fuera del alcance de niños menores de 3 años.
• Al terminar, desconecta un cable de la pila para que no se descargue ni se caliente dentro de una caja.

La ciencia detrás

Para los niños

Cuando la electricidad corre por un cable, alrededor del cable aparece una fuerza magnética invisible, muy flojita. Si enrollamos el cable muchas veces, todas esas fuerzas se suman, como cuando muchos niños tiran de la misma cuerda. El clavo de hierro está lleno de imanes diminutos desordenados; la bobina los pone a todos mirando hacia el mismo lado y el clavo se convierte en un imán fuerte. Cuando sueltas el pulsador, la electricidad se para, los imanes diminutos se vuelven a desordenar y los clips se caen.

Para el adulto

Una corriente I en un solenoide de N espiras y longitud ℓ crea en su interior un campo H = N·I/ℓ (ley de Ampère). Con N = 100, ℓ = 30 mm e I ≈ 2–3 A, H ≈ 7–10 kA/m: en el aire serían solo ≈ 10 mT. El núcleo de acero, ferromagnético, tiene una permeabilidad relativa de cientos a miles: sus dominios magnéticos se orientan con el campo y la inducción en el núcleo sube hasta 0,5–1,5 T, cerca de la saturación. La fuerza sobre los clips es proporcional a B² y al gradiente del campo, por eso es mayor en la punta. Lo que importa es el producto N·I (amperios-vuelta): duplicar vueltas o corriente aumenta la fuerza, hasta que el hierro se satura. La resistencia de 2 m de cobre de 0,5 mm es de solo ≈ 0,17 Ω, de modo que la corriente la limita la resistencia interna de la pila (≈ 0,5–1 Ω en una petaca; ≈ 2 Ω en una de 9 V, que además tiene poca capacidad): casi toda la energía se disipa como calor, de ahí el pulsador y las pruebas cortas. Al cortar la corriente, el acero conserva una magnetización remanente que depende de su dureza magnética (coercitividad): el hierro dulce la pierde casi entera; los aceros duros y los tornillos templados se quedan imantados. Invertir la pila invierte los polos (regla de la mano derecha).

• electroimán: imán que funciona solo mientras pasa corriente por su bobina.
• núcleo: pieza de hierro dentro de la bobina que multiplica el magnetismo.
• espira: cada una de las vueltas del alambre.
• polo: cada extremo de un imán, donde su fuerza es mayor (norte y sur).
• remanencia: magnetismo que se queda en el hierro cuando ya no pasa corriente.

Por edades

• 5–7 años: El adulto enrolla o ayuda a enrollar, lija y conecta. El niño monta el pulsador con cinta y aluminio, aprieta y cuenta clips. Mensaje: «aprieto = imán; suelto = no imán».
• 8–10 años: Enrollan las 100 vueltas contando en voz alta, montan el pulsador y hacen el experimento de 50 contra 100 vueltas. El adulto revisa las conexiones a la pila.
• 11–12 años: Hacen tres bobinas, miden y hacen el gráfico. Reto: calcular los amperios-vuelta suponiendo 2 A y explicar por qué la pila de 9 V funciona peor que la petaca.

En grupo o en clase

Parejas, un electroimán por pareja; las pilas de petaca pueden compartirse entre dos parejas. Antes: cortar 3 m de alambre por pareja, comprobar los clavos con un imán y precortar las piezas del pulsador. Sesión de 50 min: 5 min demostración, 25 min montaje, 20 min concurso de levantamiento con tabla común en la pizarra (vueltas, pila, clips). Ten 3–4 pilas de repuesto y un adulto que revise que nadie deja el pulsador apretado.

Retos

• Construye una mini grúa de cartón que coja clips de un montón y los suelte en una caja a 15 cm.
• Consigue levantar 20 clips con la misma pila cambiando solo el número de vueltas o el núcleo.
• Haz un electroimán en forma de herradura (dos bobinas en un perno doblado o en dos clavos unidos por la cabeza con una chapa) y compara.
• Separa clips de acero de grapas de cobre o de botones de plástico mezclados: tu electroimán como clasificador de chatarra.

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