Motor de pila e imán sin escobillas
Un corazón de alambre de cobre desnudo apoyado en el polo + de una pila AA, con un imán de neodimio bajo el polo −, gira solo a varias vueltas por segundo: el motor eléctrico más sencillo que existe.
Qué va a aprender
- Que una corriente eléctrica dentro de un campo magnético sufre una fuerza (fuerza de Lorentz) y que eso es la base de todos los motores.
- Que el circuito debe estar cerrado: pila (+) → alambre → imán (conductor) → pila (−).
- Que el sentido de giro depende del sentido de la corriente y de la orientación del imán (dar la vuelta al imán invierte el giro).
- Que un cortocircuito hace pasar mucha corriente y la transforma en calor: por eso se calienta y hay que hacerlo a ratos cortos.
- Que el equilibrio y la simetría reducen el rozamiento y permiten que una fuerza pequeña mueva una pieza.
Prepara antes
- Comprueba que el imán es de neodimio niquelado (plateado brillante): ese recubrimiento conduce la electricidad. Los imanes negros o grises mates (ferrita) no conducen y no sirven.
- Imprime al 100 % la plantilla A y pégala sobre cartulina. Comprueba que el corazón mide 48 mm de ancho.
- Corta 30 cm de alambre y endereza pasándolo entre los dedos. Si es esmaltado, lija 1 cm de cada punta y 5 mm en el centro.
- Guarda el imán lejos de móviles, tarjetas, relojes y de otros imanes; si tienes varios, sepáralos con un cartón.
- Explica antes la norma de seguridad: el corazón se suelta en cuanto se calienta la pila y nunca más de 15 s seguidos.
Materiales y herramientas
- Pila AA alcalina nueva — 1 (mejor 2)
1,5 V, alcalina; NO recargable NiMH ni de litio (dan demasiada corriente y se calientan más) - Imán de neodimio en disco — 1 comprar
Ø 18–20 mm × 3–5 mm, niquelado (plateado brillante), N35 o superior - Alambre de cobre desnudo — 30 cm (compra 1 m para pruebas) comprar
Ø 0,8–1,2 mm, sin barniz ni plástico - Cartulina — 1 trozo de 8 × 10 cm
para la plantilla de doblado (A) - Lija fina — 1 trozo de 3 × 3 cm
grano 180–240, para limpiar las puntas del alambre
Herramientas
- Alicates de punta fina — doblar el corazón y la «V» de apoyo
- Alicates de corte — cortar 30 cm de alambre y recortar las puntas adulto
- Rotulador — marcar el centro del alambre (15 cm)
- Cronómetro — controlar tandas de 10–15 s y medir vueltas
Piezas y plantillas
- A · Plantilla de doblado del corazón ×1 — cartulina
- B · Alambre de cobre desnudo ×1 — alambre de cobre Ø 1 mm
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Paso a paso
Revisa la pila y el imán
Usa una pila AA alcalina nueva (1,5 V) y un imán de neodimio plateado de Ø 18–20 mm. Acerca el imán al polo − (la parte plana) y deja que salte y se pegue centrado bajo la pila.
1 Usa una pila AA nueva y un imán plateado de Ø 18–20 mm 2 Acerca el imán al polo − sujetándolo con fuerza 3 El imán debe sobresalir 2–3 mm alrededor de la pila Comprueba: El imán sobresale 2–3 mm alrededor de la pila por todos los lados. Si es más estrecho que la pila, no funcionará.Truco: Sujeta el imán con fuerza al acercarlo: salta y puede pellizcarte.Pon la pila de pie
Coloca la pila de pie sobre la mesa, apoyada en el imán, con el polo + (el botoncito) arriba. Si la mesa tiene partes de metal, ponla sobre un cartón para que el imán no se desplace.
1 Pon la pila de pie sobre el imán, con el + arriba 2 Sobre una mesa con metal, ponla encima de un cartón Corta y marca el alambre adulto
Corta 30 cm de alambre de cobre desnudo de 1 mm y enderézalo. Marca el centro, a 15 cm, con rotulador. Si el alambre es esmaltado, lija bien 1 cm en cada punta y 5 mm en el centro hasta que brille.
1 El adulto corta 30 cm de alambre con el alicate de corte 2 Marca el centro, a 15 cm, con rotulador 3 Si es esmaltado, lija 1 cm de cada punta y 5 mm del centro Haz la V de apoyo
Con el alicate de punta, sujeta el alambre justo en la marca del centro y haz un pico pequeño hacia abajo, de unos 3 mm de profundidad. Después sube los dos brazos hacia arriba, poco separados: arrancan casi verticales desde el pico, como la línea marrón de la plantilla A. Ese pico (la V) es lo único que tocará el polo +.
1 Sujeta el centro con el alicate y sube los dos brazos 2 Pon la V sobre el punto rojo de la plantilla A Comprueba: Pon la V sobre el punto rojo de la plantilla: el pico apunta hacia abajo y los dos brazos suben juntos, casi verticales al principio, siguiendo el arranque de la línea marrón.Dobla los lóbulos
Siguiendo la plantilla A, curva cada brazo hacia arriba y hacia fuera formando los dos lóbulos del corazón (su parte más alta queda 22 mm por encima de la V) y llévalos hacia abajo hasta que queden verticales a 24 mm del centro.
1 Curva los dos brazos a la vez siguiendo la línea marrón 2 Lóbulos 22 mm sobre la V; brazos verticales a 24 mm del centro Truco: Dobla los dos lados a la vez, uno con cada mano, comparando: la simetría es lo más importante.Dobla los laterales y las puntas adulto
Baja cada lateral recto 46 mm, paralelo a la pila. Al llegar a la altura del imán, curva las puntas hacia dentro hasta que queden a 11 mm del centro (1 mm por fuera del borde del imán). El adulto recorta con el alicate de corte lo que sobre de cada punta.
1 Baja los laterales 46 mm y curva las puntas hacia dentro 2 Recorta con el alicate de corte lo que sobra de cada punta 3 Debe coincidir con la línea marrón y ser igual por los dos lados Comprueba: Pon el corazón sobre la plantilla: coincide con la línea marrón en todo su recorrido y los dos lados son iguales.Comprueba el equilibrio
Apoya la V sobre la punta de un lápiz puesto de pie. El corazón debe quedar recto, sin inclinarse a un lado. Si se inclina, cierra un poco el lado que baja o abre el otro 1–2 mm.
1 Si se inclina, cierra 1–2 mm el lado que baja 2 Sobre la punta del lápiz, las dos puntas a la misma altura Comprueba: En equilibrio sobre el lápiz, las dos puntas quedan a la misma altura.Monta el corazón
Apoya la V en el centro del polo + de la pila. Las dos puntas inferiores deben quedar a la altura del imán, rozándolo apenas por los lados (si aprietan, frenan; si no tocan, no hay circuito).
1 Baja el corazón y apoya la V en el centro del polo + 2 Las puntas rozan apenas el imán por los lados 3 Mira desde arriba: centrado y sin tocar el cuerpo de la pila Comprueba: Mira desde arriba: el corazón está centrado y las puntas no tocan el cuerpo de la pila.Suelta y observa
Suelta el corazón con suavidad. En 1–2 segundos empezará a girar alrededor de la pila, cada vez más deprisa, hasta varias vueltas por segundo. Déjalo girar como máximo 10–15 segundos y retíralo.
1 Suelta el corazón con suavidad 2 Gira cada vez más deprisa: retíralo a los 10–15 s Truco: Si da tirones en lugar de girar, una punta toca más que la otra: ábrela 0,5 mm.Deja enfriar entre tandas adulto
Tras cada tanda de 10–15 s, retira el corazón y espera 30 segundos. Toca la pila: si está más que templada, espera más. Así la pila dura mucho más y nadie se quema.
1 Retira el corazón y espera 30 segundos 2 Toca la pila: si está más que templada, espera más Invierte el giro
Quita el corazón, separa el imán, dale la vuelta y vuelve a pegarlo bajo la pila. Monta de nuevo el corazón: ahora gira en sentido contrario.
1 Separa el imán, dale la vuelta y vuelve a pegarlo 2 Al montarlo de nuevo, el corazón gira en sentido contrario Comprueba: Anota el sentido (como las agujas del reloj o al revés) antes y después.Guarda todo por separado
Al terminar, separa siempre el alambre y el imán de la pila. Guarda el imán en una cajita, lejos de otros imanes y de niños pequeños, y la pila en su caja.
1 Separa el alambre y el imán de la pila 2 Guarda el imán en una cajita y la pila en su caja
¿Funciona? La prueba
Con pila alcalina nueva, imán de Ø 20 mm y el corazón de la plantilla, suelta el alambre y cuenta las vueltas durante 10 s.
Qué debe pasar: Arranca en 1–2 s y alcanza 3–10 vueltas por segundo. La pila se nota templada a los 15–20 s. Al invertir el imán gira al revés.
Si algo falla
- No gira nada ni da tirones — No hay circuito: alambre barnizado, imán de ferrita (negro) o las puntas no tocan el imán. Solución: Lija las puntas y el centro, usa un imán de neodimio niquelado y acerca las puntas hasta que rocen el imán.
- Da tirones y se para — Las puntas aprietan demasiado el imán o el corazón está descompensado. Solución: Abre las puntas 0,5–1 mm y comprueba el equilibrio sobre la punta de un lápiz.
- El corazón se cae de la pila — La V no está centrada o no tiene forma de V. Solución: Rehaz la V justo en el centro del alambre, con punta hacia abajo, y apóyala en el centro del botón +.
- Gira muy lento — Pila gastada o caliente, o imán débil. Solución: Deja enfriar, cambia a una pila nueva o usa un imán más grueso (5 mm).
- Las puntas se pegan al imán — El alambre no es de cobre (es hierro cobreado o acero). Solución: Comprueba con el imán: el cobre de verdad no se pega. Cambia de alambre.
- La pila se calienta mucho enseguida — Pila recargable o de litio, o puntas que hacen contacto continuo y apretado. Solución: Usa pila alcalina, puntas que solo rocen y tandas de 10 s.
Seguridad
- El circuito es un cortocircuito: la pila y el alambre se calientan en 15–20 s. Tandas de 10–15 s y 30 s de descanso. Nunca lo dejes montado sin vigilar ni lo guardes con el alambre puesto.
- Usa solo pilas alcalinas AA. Nunca pilas recargables, de litio ni baterías de 9 V: dan más corriente y pueden calentarse hasta quemar o derramarse.
- Los imanes de neodimio pellizcan la piel y se rompen en esquirlas si chocan entre sí. Acércalos despacio y sujétalos con firmeza.
- Si un niño se traga dos imanes (o un imán y una pieza de hierro), pueden unirse a través del intestino: es una urgencia médica. Mantén los imanes lejos de menores de 6 años.
- Aleja el imán de móviles, tarjetas, relojes, ordenadores y marcapasos (mínimo 15 cm).
- Las puntas del alambre cortado pinchan: dóblalas hacia dentro o redondéalas con lija.
La ciencia detrás
Para los niños
La pila empuja electricidad por el alambre de cobre, que baja desde el botón de arriba hasta el imán de abajo. El imán está rodeado de una fuerza invisible, el campo magnético. Cuando la electricidad pasa por el alambre justo al lado del imán, el imán le da un empujoncito de lado, siempre hacia el mismo sitio. Como el alambre está apoyado en un solo punto, como una peonza, ese empujón lo hace girar y girar. Si das la vuelta al imán, el empujón va hacia el otro lado y el corazón gira al revés.
Para el adulto
Es un motor homopolar (o de Faraday): no necesita conmutador porque la corriente nunca cambia de sentido respecto al campo. La corriente sale del polo + (1,5 V), baja por los dos brazos del alambre, entra en el imán niquelado por sus costados, lo atraviesa radialmente hacia el centro y vuelve al polo −. Junto al imán, el campo magnético tiene una fuerte componente axial y radial (≈ 0,1–0,3 T en el borde de un disco N35); sobre los tramos de corriente que no son paralelos a B actúa la fuerza de Lorentz F = I·L × B, perpendicular a ambos, es decir, tangencial: produce un par alrededor del eje de la pila. Como el circuito apenas tiene resistencia (alambre de 1 mm de 24 cm ≈ 5 mΩ), la corriente queda limitada por la resistencia interna de la pila alcalina (≈ 0,15–0,3 Ω): 2–5 A, que disipan 2–5 W en calor (por eso se calienta y la pila se agota en pocos minutos de uso total). Con I ≈ 3 A, B ≈ 0,2 T y ≈ 1 cm de tramo eficaz por lado, F ≈ 6 mN, suficiente para un alambre de ≈ 2 g apoyado en un punto con rozamiento mínimo. La simetría importa porque el apoyo en V es un pivote inestable: cualquier desequilibrio aumenta el rozamiento en las puntas. Invertir el imán invierte B y con ello el sentido del par.
- campo magnético: zona alrededor de un imán donde actúa su fuerza.
- fuerza de Lorentz: el empujón que recibe una corriente eléctrica dentro de un campo magnético.
- circuito cerrado: camino sin cortes por el que la electricidad sale de la pila y vuelve a ella.
- cortocircuito: circuito sin nada que frene la corriente; pasa mucha y produce calor.
- pivote: punto de apoyo sobre el que gira una pieza.
Por edades
- 5–7 años: No recomendado como montaje propio (imán de neodimio y calor). El adulto lo monta y el niño observa y predice hacia dónde girará al dar la vuelta al imán.
- 8–10 años: El adulto corta el alambre y vigila el imán (con 8 años, también dobla el corazón); desde los 9, el niño lo dobla sobre la plantilla, lo equilibra y lo prueba en tandas de 10 s.
- 11–12 años: Montaje autónomo. Reto: dibujar el recorrido de la corriente y la dirección de la fuerza (regla de la mano izquierda) y diseñar su propia forma de alambre.
En grupo o en clase
Parejas, un kit por pareja: 1 pila AA alcalina (+1 de repuesto por cada 4 parejas), 1 imán Ø 20 mm, 30 cm de alambre y la plantilla. Antes de la sesión: cortar el alambre, lijar si es esmaltado y comprobar los imanes. Sesión de 50 min: 10 min de demostración y normas (tandas de 10 s, imanes separados), 30 min de doblado y ajuste, 10 min de concurso de vueltas en 10 s. Recoge los imanes contándolos al final.
Retos
- Diseña una forma de alambre que gire más de 10 vueltas por segundo.
- Haz una figura (estrella, bailarina, espiral) que siga girando estable.
- Construye dos motores con el imán en distinta orientación y haz que giren en sentidos opuestos a la vez.
- Investiga el «tren homopolar»: una pila con imanes en ambos extremos dentro de una bobina de alambre desnudo.