Este trabajo muestra los principios de construcción y de diseño para un electroimán. Se describen las leyes
de los campos electromagnéticos y sus principales usos actuales. Se muestran los diferentes pasos en la construcción, así como las pruebas y resultados del diseño. Se muestra también el procedimiento de construcción de manera detallada.
La inducción electromagnética es un tema muy importante porque sirve para el desarrollo y progreso de todo el mundo.
Su uso es limpio y libre de contaminación por quema de combustibles fósiles y sin producción de contaminación auditiva, esto quiere decir que no hace ruido ni contribuye al calentamiento global. Si entendemos cómo producir la energía eléctrica de manera sustentable esto es, con fuentes que pueden volver a generarse como son el sol y el viento podremos crear un futuro mejor para el planeta. En esta investigación probamos que se generan fuerzas invisibles y poderosas llamados campos magnéticos y eléctricos, con ellos podemos mover cosas pesadas sin el uso de herramientas complicadas o motores de gasolina. Con ayuda de personas que me enseñaron los principios de funcionamiento para crear estos campos construimos un electroimán con materiales de bajo costo y reciclados para no contribuir a la contaminación. Los resultados obtenidos fueron muy buenos porque comprobamos que esos campos existen y los
humanos los podemos crear conociendo bien los principios de electricidad y magnetismo que se descubrieron hace muchos años por grandes científicos de la humanidad como Gauss o Faraday. Este principio se usa para fabricar grandes máquinas que hacen que el humano pueda utilizar la tecnología actual.
Los campos magnéticos son parte importante del desarrollo de nuestra sociedad ya que gracias a ellos se construyen motores, generadores, y utensilios de uso casero. Debido a estos campos se puede generar electricidad y llevarla a nuestras casas para que tengamos luz, podamos ver televisión, usar computadoras, tener internet, calentar nuestro hogar, etc (VanCleave & Tusan, 2004). El objetivo de este trabajoes el de estudiar cómo funciona un campo magnético yprovocaremos este fenómeno llamado electromagnetismo mediante la construcción de un electroimán. Finalmente, probaremos este electroimán para observar el peso que puede levantar dependiendo de sus características de diseño, esto se puede ver en la Fig. 1, hacer experimentos es muy interesante, divertido y ayuda a ver cómo funcionan las cosas (Robinson & de la Vega, 2016).
Se buscaron trabajos en las bibliotecas digitales a nivel mundial llamadas Springer y IEEE (Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos), de la cual mi papá tiene acceso desde la universidad donde trabaja, porque actualmente las bibliotecas convencionales tardan mucho tiempo en incorporar lo más reciente en investigación científica llevada a cabo en el mundo.
En Japón se publicó un artículo que muestra los campos magnéticos para el tren MAGLEV (levitación magnética sobre las vías de tren) esto fue en 2019 y se usaron matemáticas para ver que podía pasar con el tren y si sus campos iban a funcionar. En la figura 2 vemos un diagrama que se mostró en ese artículo (Tokuda, Sakai, Yarita, & Nishikata, 2019).
Describir los principios de electroimanes mediante la construcción de un prototipo variando diferentes parámetros de construcción como son la corriente y las vueltas del alambre enrollado.
Definir cuál es la mejor corriente para establecer el mayor flujo sin acabar con la carga de la batería muy rápido
Quiero investigar qué es y cómo se construye un electroimán porque me llama la atención y es un problema actual del medio ambiente tiene que ver con el mejor uso de energías que sean amigables con el medio ambiente, por lo tanto, es muy importante dejar de emplear vehículos y transportes que se basan en gasolina, gas o petróleo. La energía eléctrica es fácil de
transportar y no produce contaminación cuando se convierte a otros tipos de energías, por ejemplo, en calor. La energía eléctrica se basa en la producción de campos eléctricos y magnéticos, por lo tanto, se considera importante definir los conceptos de estos campos y probar una aplicación para mover objetos de un tamaño considerable.
A mayor corriente, longitud, campo magnético y posición, la fuerza es proporcional.
Se eligieron los siguientes materiales debido a que se estableció en el objetivo que se emplearían materialesque se pueden encontrar fácilmente. Esto provoca que la fuerza del electroimán no sea tan fuerte como para levantar un carro, pero si puede levantar cosas de menor tamaño. Para construir electroimanes más fuertes se necesitan materiales con más potencia, pero funcionan igual que el que se presenta a continuación.
Materiales empleados:
1 Tornillo
10 metros de alambre magneto calibre 16
1 Pila de 9 V
1 Fuente de voltaje de corriente directa
Caja para montar proyectos de electrónica
1 Botón para activar el electroimán
En la primera parte de las pruebas se buscó obtener los mejores indicadores para que el electroimán funcione con suficiente fuerza, pero sin agotar muy rápido la batería. En caso de tener una fuente de gran potencia, como en laboratorios o fábricas, podríamos atraer objetos de gran peso y a gran distancia. En la figura 6 se puede observar la prueba inicial para ajustar la mejor corriente para la mejor fuerza sin agotar rápido la batería y también cómo se aprendió el funcionamiento del
electromagnetismo con un dibujo. Se encontró que los mejores números fueron de 0.7 amperes para la corriente de la bobina, 200 vueltas del alambre y un voltaje de 1 volt.
La fuente de voltaje que utilizamos se puede aumentar o disminuir con un desarmador por lo que probamos más o menos volts y amperes en la bobina. Una vez que se realizó el ajuste inicial, se montaron todas las piezas y materiales en una caja de plástico para que sea seguro utilizar el electroimán y no se tengan accidentes.
Para probar el electroimán se emplearon tuercas con el objetivo de medir qué tanto peso puede levantar. En la Tabla 1 se muestran los resultados del ajuste inicial con la corriente y el número de tuercas levantadas.
De acuerdo a las pruebas registradas en la Tabla 1 se eligió la corriente de 0.8 amperes porque tiene buena fuerza y no descarga la pila tan rápido. Con el ajuste de 1.0 ampere se descargó una batería de 9 V completa en menos de 1 hora, por lo que había que elegir una corriente menor.
Las gráficas nos enseñan de manera más fácil los números, por ejemplo, en la figura 12 podemos ver la gráfica de las pruebas de la Tabla 1, además podríamos estimar que pasaría si hubiéramos hechos pruebas con diferentes corrientes y tuercas si hacemos más grande la línea.
De acuerdo a los objetivos del trabajo se alcanzaron de manera adecuada. Como se demostró en la sección de resultados, entre más corriente hacíamos pasar por el alambre mayor era la fuerza que podíamos tener. Además, solamente podíamos cargar en una posición respecto al campo porque en otros lugares del tornillo no se podía cargar casi nada de peso. Esto confirma la
hipótesis establecida ya que formamos más campo magnético con más corriente y una posición fija, todo esto hizo que la fuerza de atracción fuera mayor.
Con esta confirmación de la hipótesis podríamos diseñar una bobina más grande para cargar miles de kilogramos en peso, por ejemplo, como la que se usan en fábricas para levantar metales como se muestra en la siguiente figura
