Motor de bobina y pila

Qué va a aprender

• Que una corriente eléctrica que pasa por un alambre dentro de un campo magnético recibe una fuerza (fuerza de Lorentz) y que una bobina se comporta como un imán.
• Por qué un motor necesita un conmutador: si la corriente no se corta media vuelta, la bobina se queda quieta apuntando al imán.
• Que invertir el imán (o la pila) invierte el sentido de giro.
• Que el equilibrio y el rozamiento importan tanto como la electricidad en una máquina real.
• Que un cortocircuito gasta y calienta la pila: por eso se usa solo a ratos.

Prepara antes

• Imprime las plantillas al 100 % y comprueba con la regla que la plantilla C mide 110 mm de largo.
• Comprueba que los clips son de metal pelado: frota uno con la lija; si sale plástico, no sirven.
• Ten una pila nueva y otra de repuesto: con pilas gastadas la bobina no arranca.
• Si los niños tienen menos de 9 años, corta tú el alambre (90 cm) y dobla los clips con el gálibo antes de la sesión.
• Ten a mano un móvil con cámara lenta para contar las vueltas en la prueba.

Materiales y herramientas

• Alambre de cobre esmaltado — 90 cm (+ 2 m de repuesto para los experimentos) comprar
  Ø 0,5–0,6 mm (AWG 22–24), esmalte de poliuretano (rojizo o transparente)
• Imán de neodimio en disco — 1 (mejor 2–3 para los experimentos) comprar
  Ø 12–20 mm × 3–5 mm, N35 o superior
• Pila AA — 1 (y otra de repuesto)
  alcalina nueva de 1,5 V
• Clips grandes metálicos — 2
  de 50 mm, acero galvanizado SIN plastificar
• Goma elástica — 1
  de oficina, que dé la vuelta a lo largo a la pila tensa (≈ Ø 40 mm sin estirar)
• Cinta adhesiva — 20 cm
  cinta de embalar o aislante
• Papel de lija fino — 1 trozo de 5 × 5 cm
  grano 150–240
• Cartón corrugado — 1 trozo de 10 × 7 cm
  3 mm, de caja de envíos
• Rotulador permanente negro — 1
  punta fina

Herramientas

• Alicates de punta — doblar los clips y enderezar las puntas de la bobina adulto
• Alicates de corte o tijeras viejas — cortar el alambre de cobre
• Regla — medir el alambre, las puntas y la altura
• Pinza de la ropa o bolita de plastilina — sujetar la bobina de pie mientras se lija la media punta
• Tijeras — cortar la base de cartón y las plantillas

Piezas y plantillas

• A · Base ×1 — cartón corrugado 3 mm
• B · Calzos de la pila ×2 — cartón corrugado 3 mm
• C · Plantilla de comprobación de la bobina ×1 — papel
• D · Gálibo para doblar los clips ×1 — papel
• E · Alambre de la bobina ×1 — alambre de cobre esmaltado Ø 0,5–0,6 mm

Paso a paso

1. Prepara la base

   Recorta la base A (100 × 50 mm) y los dos calzos B (50 × 8 mm). Pega cada calzo con cola o cinta de doble cara justo por fuera de las líneas marcadas, dejando un canal de 15 mm entre ellos.

   Comprueba: La pila AA entra en el canal tumbada y no rueda al empujarla de lado.

2. Corta el alambre

   Mide y corta 90 cm de alambre esmaltado. Pásalo entre dos dedos un par de veces para enderezarlo sin doblarlo en ángulo.

3. Enrolla 15 vueltas

   Deja 5 cm libres al principio y enrolla el alambre apretado alrededor de la pila AA, 15 vueltas seguidas una junto a otra. Te sobrarán unos 15 cm al final.

   Truco: Sujeta el principio con el pulgar contra la pila para que no se suelte mientras enrollas.

4. Saca la bobina y átala

   Desliza la bobina fuera de la pila. Con el extremo corto, da 3 vueltas apretadas alrededor del haz de alambres y deja la punta saliendo recta hacia fuera. Haz lo mismo con el extremo largo en el lado opuesto exacto de la bobina.

   Comprueba: La bobina no se deshace al sacudirla y las dos puntas salen en lados opuestos.

5. Recorta y alinea las puntas adulto

   Corta las dos puntas para que cada una mida 35 mm desde el borde de la bobina. Apoya la bobina sobre la plantilla C y endereza las puntas con los alicates hasta que las dos queden sobre la línea central.

   Comprueba: Si haces girar la bobina con las puntas entre dos dedos, gira como una rueda sin bailar.

6. Lija una punta entera

   Lija una de las puntas por todo su contorno en los 30 mm finales (de la marca hasta el extremo), girándola entre los dedos de la lija. Debe quedar color cobre brillante, sin restos rojizos.

   Comprueba: Mira la punta con luz: todo el contorno brilla igual.

7. Lija media punta con la bobina de pie adulto

   Pon la bobina de pie (como una rueda), sujeta con una pinza de la ropa o plastilina, con las puntas horizontales. Lija SOLO la mitad de arriba de la otra punta, en sus 30 mm finales, pasando la lija en una sola dirección. La mitad de abajo debe conservar el esmalte.

   Comprueba: Mirando la punta de lado, ves una franja de cobre arriba y esmalte abajo.
   Truco: Si se te va la lija, lija toda la punta y pinta después la mitad de abajo con rotulador permanente, con la bobina en la misma posición: la tinta también aísla.

8. Dobla los clips adulto

   Endereza cada clip y dóblalo encima del gálibo D: un pie de 16 mm, un tramo vertical de 22 mm (del codo al centro del ojal) y, arriba, un ojal cerrado de Ø 3 mm (enróllalo alrededor de un clavo o de la punta de un lápiz).

   Comprueba: Los dos clips son iguales: ponlos uno junto al otro y los ojales quedan a la misma altura.

9. Fija los clips a los polos

   Apoya el pie de un clip sobre el polo + y el del otro sobre el polo −: el codo, justo en el centro del polo, y el pie tumbado en horizontal hacia atrás (los dos hacia el mismo lado), con el tramo vertical y el ojal hacia arriba. Pon la goma elástica a lo largo de la pila, por encima de los dos pies, para apretarlos contra el metal, y refuerza con cinta por fuera.

   Comprueba: El metal del clip toca el metal del polo (la cinta nunca queda debajo). Mirando la pila desde arriba, los dos tramos verticales están sobre la línea central de la pila y los ojales, enfrentados y a la misma altura.

10. Coloca la pila y el imán

    Pon la pila en el canal de la base con los clips hacia arriba. Coloca el imán de neodimio sobre el centro de la pila: se pegará solo a la carcasa de acero.

11. Ajusta la altura

    Mete las puntas de la bobina en los ojales. La bobina debe pasar entre 1 y 3 mm por encima del imán al girar con la mano. Si roza, sube un poco los ojales; si queda a más de 5 mm, bájalos o pon un segundo imán encima del primero.

    Comprueba: Gira la bobina con el dedo: da al menos 3 vueltas sola sin tocar el imán.

12. Arranca el motor

    Da a la bobina un empujoncito suave con el dedo. Si no sigue girando, empújala en el otro sentido. Cuando arranca, acelera en 1–2 segundos y gira sola.

    Truco: Si solo se balancea adelante y atrás, gira la media punta 180° en el ojal o vuelve a lijar con la bobina de pie (paso 7).

13. Ajuste fino adulto

    Si la bobina salta de los ojales o vibra mucho, endereza las puntas sobre la plantilla C y cierra un poco los ojales con los alicates. Una bobina bien equilibrada gira más rápida y más silenciosa.

14. Apaga al terminar

    Retira la bobina de los ojales después de cada prueba (como máximo 1–2 minutos seguidos). Toca la pila: si está tibia, déjala descansar 5 minutos.

    Comprueba: Sin la bobina no pasa corriente y la pila deja de calentarse.

¿Funciona? La prueba

Con la pila nueva, arranca la bobina y grábala 10 segundos con la cámara lenta del móvil. Pega antes un trocito de cinta de color en el borde de la bobina para poder contar las vueltas.

Qué debe pasar: La bobina gira sola y de forma continua, normalmente entre 5 y 20 vueltas por segundo (300–1200 rpm), siempre en el mismo sentido. Si das la vuelta al imán, gira en sentido contrario.

Si algo falla

• No hace nada, ni con empujón — No hay corriente: esmalte sin quitar, clips plastificados o cinta entre el clip y el polo. Solución: Vuelve a lijar las zonas de contacto, usa clips de metal pelado y comprueba que el pie del clip toca directamente el polo. Prueba con una pila nueva.
• Se balancea adelante y atrás pero no da vueltas — La media punta se lijó con la bobina tumbada: la corriente pasa cuando la bobina ya mira al imán. Solución: Gira la media punta media vuelta dentro del ojal o vuelve a lijarla con la bobina de pie (lija todo y pinta la otra mitad con rotulador).
• Gira unas vueltas y se para siempre en la misma posición — Bobina desequilibrada: el lado pesado siempre acaba abajo. Solución: Endereza las puntas sobre la plantilla C para que estén en el mismo eje y pasen por el centro de la bobina; aprieta las espiras que estén sueltas.
• La pila se calienta mucho — Las dos puntas están lijadas enteras: hay cortocircuito permanente. Solución: Retira la bobina, deja enfriar la pila y pinta la mitad de una punta con rotulador permanente.
• La bobina salta y se sale de los clips — Ojales demasiado abiertos o bobina descentrada que vibra. Solución: Cierra los ojales a Ø 2–3 mm y equilibra la bobina: endereza las puntas sobre la plantilla C hasta que las dos queden en la misma línea, para que gire sin vibrar.
• Gira muy despacio o le cuesta arrancar — Imán lejos o débil, pila gastada o rozamiento en los ojales. Solución: Acerca la bobina a 1–2 mm del imán o apila 2 imanes; cambia la pila; limpia los ojales con lija.

Seguridad

• Los imanes de neodimio son peligrosos si se tragan (pueden unirse a través del intestino): fuera del alcance de niños menores de 6 años y de mascotas; contar los imanes al guardar.
• No acerques los imanes de neodimio a móviles, tarjetas, marcapasos ni relojes. Al separarlos, deslízalos: si chocan pueden pellizcar los dedos o romperse en astillas.
• El circuito es casi un cortocircuito: la pila, los clips y el alambre se calientan. Máximo 1–2 minutos seguidos y retirar la bobina al terminar. Nunca uses pilas de botón de litio ni baterías de móvil.
• Las puntas del alambre y de los clips pinchan: córtalas con alicates apuntando hacia la mesa y usa gafas si cortas cerca de la cara.
• Lávate las manos después de lijar el esmalte.

La ciencia detrás

Para los niños

Cuando la electricidad corre por un alambre enrollado, el alambre se convierte en un imán, como un imán invisible en forma de rueda. El imán de abajo empuja y tira de esa rueda y la hace girar. Pero si la electricidad siguiera siempre encendida, la rueda se pararía mirando al imán, como una brújula que apunta al norte. Por eso lijamos solo media punta: la electricidad se enciende media vuelta y se apaga la otra media, y en esa media vuelta la rueda sigue girando sola por el impulso, como un columpio al que empujas solo en el momento justo.

Para el adulto

Una espira por la que circula una corriente I tiene un momento magnético μ = N·I·A, perpendicular a su plano (aquí N = 15, A ≈ 2 cm²). En el campo B del imán (≈ 0,1–0,3 T a 2 mm de un disco de neodimio) sufre un par τ = μ × B que tiende a alinear μ con B, es decir, a dejar la bobina tumbada. La bobina gira alrededor del eje que forman sus puntas, que está contenido en su plano; el par es máximo cuando la bobina está de pie (μ horizontal) y nulo cuando está tumbada. Si la corriente circulara siempre, la bobina oscilaría alrededor del equilibrio. La punta medio lijada actúa como conmutador: solo hay contacto durante la media vuelta en la que el par empuja en el sentido de giro (centrada en la bobina vertical) y se corta en la otra media, que la bobina recorre por inercia. Por eso hay que lijar con la bobina de pie: si se lija tumbada, el contacto se centra en la posición de equilibrio y el par se anula en promedio. Los motores comerciales resuelven lo mismo con un colector de delgas y escobillas que invierten la corriente en vez de cortarla. La resistencia de la bobina es pequeña (90 cm de cobre de 0,5 mm ≈ 0,08 Ω), así que la corriente la limitan la resistencia interna de la pila y los contactos: 2–4 A en los pulsos, lo que calienta la pila y la agota en minutos. Invertir el imán invierte B y con él el sentido del par.

• bobina: alambre enrollado en espiras que, con corriente, se comporta como un imán.
• esmalte: capa fina de barniz que aísla el alambre para que la corriente no salte entre espiras.
• conmutador: parte del motor que corta o invierte la corriente en el momento justo de cada vuelta.
• campo magnético: zona alrededor de un imán donde se notan sus fuerzas.
• inercia: tendencia de un objeto que gira a seguir girando.

Por edades

• 5–7 años: Demasiado delicado para que lo hagan solos. El adulto prepara la bobina lijada y los clips; el niño coloca el imán, pone la bobina y la arranca, y prueba a dar la vuelta al imán. Céntrate en «la electricidad convierte el alambre en un imán».
• 8–10 años: Hacen la bobina, lijan la punta entera y montan los clips con el gálibo. El adulto supervisa la media punta y el doblado de los ojales. Que descubran ellos qué pasa si la bobina está torcida.
• 11–12 años: Montaje completo en autonomía. Reto: medir vueltas por segundo con cámara lenta y hacer una tabla de vueltas de la bobina frente a velocidad, y explicar con un dibujo por qué hay que lijar con la bobina de pie.

En grupo o en clase

Parejas, un motor por pareja (≈ 2 € en alambre e imán por motor, los imanes se reutilizan). Antes: cortar 90 cm de alambre por pareja, preparar 2 clips por pareja y tener 10 pilas de repuesto. Sesión de 60 min: 10 min demostración con un motor que ya funcione, 35 min montaje, 15 min pruebas y experimento del imán invertido. Ten una «estación de reparación» con alicates, lija y la plantilla C donde un adulto ayuda a equilibrar bobinas. Recoge y cuenta los imanes al final.

Retos

• Haz un motor que funcione con la bobina enrollada en un rotulador grueso (Ø 20 mm). ¿Necesitas más o menos vueltas?
• Construye un motor que gire 1 minuto seguido sin pararse ni saltar.
• Pega una banderita de papel de 2 × 1 cm a la bobina: ¿sigue girando? ¿Cuánto peso aguanta antes de pararse?
• Diseña un soporte que permita que la pila esté de pie y la bobina gire horizontal sobre el imán.

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