Tren de pila e imanes

Qué va a aprender

• Que una corriente eléctrica que circula por una bobina crea un campo magnético (es un electroimán).
• Que el circuito se cierra a través de los imanes y solo de las espiras que hay entre ellos: el electroimán «viaja» con el tren.
• Que la orientación de los polos lo decide todo: polos iguales hacia fuera, el tren avanza; uno al revés, se queda quieto; el tren dado la vuelta, va hacia atrás.
• A medir una velocidad (distancia ÷ tiempo) y a relacionar el número de espiras por centímetro con la fuerza.

Prepara antes

• Comprueba que el alambre es desnudo: ráspalo con la uña o la lija; si sale un barniz rojizo o cambia de color, es esmaltado y no sirve.
• Imprime la regla de paso y el canal al 100 % (comprueba la línea roja de 50 mm de la cabecera).
• Marca los imanes antes de la sesión (paso 5) y guárdalos separados en una tira de cartón.
• Ten una pila AAA nueva y otra de repuesto: con pila gastada el tren apenas se mueve.
• Enrolla una bobina de prueba tú mismo antes de hacerlo con los niños, para conocer el paso que funciona con tu alambre.

Materiales y herramientas

• Alambre de cobre desnudo — 3 m (mejor 5 m) comprar
  Ø 0,8–1 mm (AWG 18–20), sin barniz ni esmalte, limpio y brillante
• Imanes de neodimio — 2 (o 4 si son finos) comprar
  discos Ø 12–12,7 mm × 6–10 mm, N35 o superior, niquelados (conducen la electricidad)
• Pila AAA alcalina — 1 (+1 de repuesto)
  1,5 V, alcalina nueva (Ø 10,5 × 44,5 mm). No usar pilas de litio ni recargables (dan aún más corriente y se calientan más)
• Pila AA (solo como molde) — 1
  Ø 14,5 mm: sobre ella se enrolla la bobina
• Cartón fino o cartulina — 1 tira de 25 × 6 cm
  para el canal que mantiene recta la bobina
• Estropajo verde o lija fina — 1 trozo
  para limpiar el alambre si está oscurecido
• Cinta adhesiva — 20 cm
  para sujetar los extremos de la bobina al canal

Herramientas

• Alicates de punta y de corte — cortar el alambre y doblar los extremos adulto
• Regla — medir el paso de las espiras y el largo del túnel
• Cronómetro (móvil) — medir la velocidad
• Rotulador permanente — marcar las caras de los imanes

Piezas y plantillas

• A · Regla de paso (2,5 mm por espira) ×1 — papel o cartulina
• B · Canal de apoyo de la bobina ×1 — cartulina 200 g o cartón fino
• C · Alambre de la bobina ×1 — alambre de cobre desnudo Ø 0,8–1 mm

Paso a paso

1. Limpia el alambre

   Desenrolla 3 m de alambre de cobre desnudo y pásale el estropajo o la lija a lo largo si está oscuro. Debe quedar brillante, del color de una moneda de cobre nueva.

   Comprueba: Raspa un punto con la uña: no debe salir ninguna capa de barniz.

2. Enrolla la bobina

   Sujeta 3 cm de alambre con el pulgar sobre la pila AA (el molde) y enrolla el resto alrededor, vuelta pegada a vuelta, tirando para que quede apretado. Te saldrán unas 60 espiras en 5–6 cm, más que el largo de la pila (5 cm): cuando las vueltas lleguen al otro extremo, desliza las ya hechas hacia ese lado para que vayan saliendo de la pila y sigue enrollando en la parte libre.

   Truco: Gira la pila con una mano y guía el alambre con la otra, como si enrollaras hilo en un carrete. Un rotulador grueso de Ø 14–15 mm, más largo que la pila, te ahorra tener que deslizar las vueltas.

3. Saca el molde adulto

   Desliza la pila AA fuera de la bobina, girándola un poco en sentido contrario al enrollado para que salga sin deformar las espiras. Corta con alicates los dos extremos dejando 1 cm recto.

   Comprueba: Mira por dentro del túnel: es redondo, de unos 16 mm de diámetro, sin espiras aplastadas.

4. Estira las espiras

   Tira suavemente de los dos extremos hasta que la bobina mida unos 15 cm. Colócala junto a la regla de paso A y corrige con los dedos hasta que haya una espira cada 2,5 mm.

   Comprueba: Mira la bobina a contraluz: entre cada dos espiras se ve un hueco. Ninguna espira toca a la vecina.

5. Marca los imanes adulto

   Junta los dos imanes (se pegarán solos formando un cilindro). Con rotulador, pinta un punto en las dos caras que quedan por fuera, arriba y abajo. Sepáralos deslizándolos de lado, nunca tirando.

   Truco: Las dos caras con punto son polos contrarios: así sabrás cómo ponerlos en el paso siguiente.

6. Monta el tren adulto

   Coloca un imán en el polo + de la pila AAA con el punto HACIA FUERA. Coloca el otro en el polo − con el punto HACIA DENTRO (tocando la pila). Se sujetan solos al acero de la pila: no uses pegamento.

   Comprueba: Acerca el tren al otro tren de un compañero o a un imán suelto: los dos extremos del tren se comportan igual (los dos atraen o los dos repelen el mismo imán).

7. Prepara el canal

   Recorta la pieza B, marca los dos pliegues a 18 y 38 mm y dóblala en U. Mete la bobina estirada en el fondo del canal y sujeta cada extremo con un trocito de cinta.

   Comprueba: La bobina queda recta, sin curvas, y el canal apoya plano en la mesa.

8. Comprueba el paso

   Sin la pila nueva, monta los imanes sobre una pila AAA gastada (sujeta los imanes y cabe igual que la nueva) y pásala por el túnel para ver que el conjunto de 57 mm pasa de punta a punta sin engancharse en ninguna espira. Si no tienes ninguna gastada, sáltate esta prueba y vigila el paso en la primera salida.

   Comprueba: Si se traba, saca el tren y aprieta por fuera con dos dedos la espira que se hunde hacia dentro hasta que vuelva a quedar redonda.

9. Primera salida adulto

   Mete el tren con la pila nueva por una boca del túnel, empujando con un lápiz de madera hasta que los dos imanes estén dentro de la bobina. Suéltalo: debe salir disparado por el otro extremo en menos de 1 segundo.

   Comprueba: Si sale hacia atrás (por donde entró), dale la vuelta al tren entero y prueba otra vez por la misma boca.

10. Si no se mueve adulto

    Saca el tren y gira UNO de los dos imanes. Si así tampoco va, cambia la pila por una nueva y vuelve a revisar con la regla que ninguna espira se toque.

    Truco: La orientación es todo. Con los dos polos iguales hacia fuera, las dos fuerzas se suman.

11. Saca siempre el tren adulto

    Después de cada viaje, retira el tren de la bobina y separa un imán de la pila. Deja enfriar 1 minuto entre cada 5 viajes y toca la pila: si está caliente, espera.

¿Funciona? La prueba

Con una pila AAA nueva, cronometra 5 viajes por el túnel de 15 cm (desde que sueltas hasta que sale) y calcula la velocidad = 0,15 m ÷ tiempo.

Qué debe pasar: El tren cruza los 15 cm en 0,3–1 s (0,15–0,5 m/s) y sale despedido unos centímetros. Si las espiras están demasiado juntas o la pila está gastada, va lento o se para dentro.

Si algo falla

• El tren entra y se queda quieto — Los imanes están en posición de atraerse (polos distintos hacia fuera): las dos fuerzas se anulan. Solución: Gira uno de los imanes. Comprueba con el punto marcado: uno con el punto fuera y el otro con el punto dentro.
• Sale hacia atrás — El sentido del empuje depende de hacia dónde mira el tren (la orientación de los imanes) y del sentido del bobinado, no de la boca por la que entra. Solución: Dale la vuelta al tren entero y vuelve a meterlo por la misma boca (o, sin girarlo, mételo por la boca contraria).
• No pasa nada con ninguna orientación — Alambre esmaltado u oxidado, espiras que se tocan o pila gastada. Solución: Lija un trozo: si sale barniz, cambia el alambre. Separa las espiras con la regla de paso y usa una pila nueva.
• Se traba en mitad del túnel — Una espira aplastada o el túnel demasiado estrecho para los imanes. Solución: Saca el tren y redondea la espira apretándola por fuera con dos dedos; si el problema es general, enrolla de nuevo sobre un molde de 15–16 mm.
• Va muy lento — Paso demasiado grande (pocas espiras por cm) o imanes débiles. Solución: Comprime la bobina a un paso de 2 mm o usa imanes más gruesos (Ø 12 × 10 mm).
• La pila se calienta mucho — Está en cortocircuito a través del alambre mientras el tren está dentro. Solución: Saca el tren tras cada viaje; descansos entre series; nunca dejes el tren parado dentro.

Seguridad

• Imanes de neodimio: pellizcan con fuerza y se rompen en esquirlas si chocan entre sí. Sepáralos deslizándolos, no tirando. Si un niño traga dos, urgencias inmediatamente.
• La pila trabaja en cortocircuito (1–3 A) y se calienta: nunca dejes el tren dentro de la bobina, sácalo tras cada viaje y no uses pilas de litio, recargables ni de 9 V.
• Los extremos del alambre cortado pinchan: dóblalos en un pequeño gancho con alicates y apunta siempre lejos de los ojos.
• Mantén los imanes lejos del móvil, tarjetas bancarias, marcapasos y ordenadores.
• Pila caliente o hinchada: retírala y llévala al contenedor de pilas.

La ciencia detrás

Para los niños

Cuando el tren entra en el túnel, los imanes tocan el alambre y la electricidad de la pila corre por las vueltas de cobre que hay justo entre ellos. Esas vueltas se convierten en un imán invisible que empuja un imán y tira del otro, los dos hacia el mismo lado. Como el tren se mueve, el trozo de alambre que hace de imán se mueve con él: el tren siempre lleva su propio empujón alrededor, como un surfista que viaja con su ola.

Para el adulto

Los imanes de neodimio niquelados son conductores y, al ser más anchos que la pila, son lo único que toca la bobina. La corriente sale del polo +, pasa por el imán delantero, recorre las espiras situadas entre los dos imanes y vuelve por el imán trasero al polo −. Ese tramo de bobina se comporta como un solenoide corto que genera un campo axial B ≈ μ₀·n·I (con n ≈ 400 espiras/m e I ≈ 2 A, unos 1 mT). Los imanes, orientados con polos iguales hacia fuera, están situados en los extremos de ese solenoide, donde el campo no es uniforme: uno es repelido y el otro atraído, y ambas fuerzas apuntan en el mismo sentido. Si un imán se invierte, las fuerzas se oponen y se anulan. Como el solenoide activo es siempre el tramo comprendido entre los imanes, se desplaza con el tren: la fuerza es continua. La resistencia del circuito es muy baja (unas decenas de mΩ en el cobre más la resistencia interna de la pila, ≈ 0,3–0,5 Ω), así que la pila trabaja casi en cortocircuito: entrega 1–3 A y se descarga en pocos minutos. Si las espiras se tocan, la corriente toma el camino recto y deja de circular en vueltas. Aunque se suele hablar de «inducción», no es lo esencial aquí: el empuje es la fuerza de un electroimán sobre imanes permanentes (aunque el movimiento sí induce corrientes que frenan ligeramente el tren).

• solenoide: bobina larga de alambre que, con corriente, se comporta como un imán.
• electroimán: imán que solo funciona mientras pasa corriente eléctrica.
• polo: cada uno de los dos extremos de un imán (norte y sur).
• cortocircuito: camino muy fácil para la corriente: pasa mucha y la pila se calienta y se gasta rápido.
• conductor: material por el que pasa bien la electricidad, como el cobre o el níquel de los imanes.

Por edades

• 5–7 años: No recomendado salvo como demostración: el adulto construye y monta el tren; los niños lo sueltan en el túnel y cuentan cuánto tarda. Imanes siempre en manos del adulto.
• 8–10 años: Enrollan, estiran y preparan el canal; el adulto monta los imanes en la pila. Que descubran ellos qué pasa al girar un imán o el tren entero.
• 11–12 años: Montan todo con supervisión, miden velocidades, comparan pasos de espira y explican con un dibujo por qué el circuito solo pasa por las espiras entre los imanes.

En grupo o en clase

Equipos de 3, un tren por equipo (≈ 3–4 € en imanes y alambre). Antes: cortar el alambre en tramos de 3 m, marcar los imanes y montar los trenes (los manipula solo el adulto), imprimir reglas de paso y canales. Sesión de 50 min: 10 min demostración, 20 min de bobinas, 20 min de carreras cronometradas. Ten 4–5 pilas AAA de repuesto y una caja para pilas calientes.

Retos

• Haz un túnel de 50 cm con 10 m de alambre y mide si el tren mantiene la velocidad.
• Dobla la bobina larga en un círculo de 30 cm de diámetro para que el tren dé vueltas (necesita unos 20 m).
• Diseña un vagón de cartulina muy ligero que el tren pueda empujar a la salida.
• Construye una estación: una rampa a la salida del túnel que frene el tren sin que se caiga.

Más proyectos gratis

• Brújula de aguja flotante
• Clip suspendido por un imán
• Electroimán con interruptor
• Motor de bobina y pila
• Motor de pila e imán sin escobillas

Ver todos los proyectos