Diseño y Construcción de un Electroimán Tipo Solenoide

Diseño y Construcción de un Electroimán Tipo Solenoide

Reporte de proyecto

Resumen

Se presenta el desarrollo de un prototipo experimental aplicando los principios básicos de electromagnetismo mediante la conceptualización de un electroimán simple con su correspondiente diseño, con éste se pretende propiciar que el estudiante de ingeniería en sistemas computacionales del Instituto Tecnológico de Querétaro que cursa el 2º semestre visualice los diversos orígenes de física clásica y una de sus aplicaciones.

Palabras clave: Electromagnetismo, bobina, alambre.

Introducción

Se reporta la construcción de un electroimán, siguiendo un procedimiento sistematizado en el que se relaciona: ley física,teoría matemática y desarrollo tecnológico. Mostrando el cómo se estructura un modelo físico (2), la solución de éste (3). En el ámbito de la física se materializa la magnetización temporal de un cuerpo, y la conceptualización del electroimán se realiza con aproximaciones sucesivas,mediante la variación del parámetro: número de espiras (N) de una bobina. En la actividad semestral de un grupo, se conforman varios equipos de trabajo (tres o cuatro estudiantes) cada uno de ellos desarrolla un electroimán; porque con la interacción de sus diferentes estilos de aprendizaje, se produce una sinergia; generalmente, ésta redunda tanto en la obtención de mejores resultados como en la reducción del intervalo de tiempo empleado.

El antecedente de este trabajo es el producto de una reflexión sobre la asignatura de Física general que contiene siete unidades: dos de Mecánica clásica (Estática de la partícula, Dinámica de la partícula incluyendo Trabajo mecánico); una de Óptica y otra de Termodinámica; tres unidades de Electricidad y Magnetismo (Electrostática, Magnetismo y Electrodinámica) con un nivel cognoscitivo de conocer. Para facilitar el aprendizaje de estas últimas se recomienda apoyarse en: los conocimientos básicos del álgebra de vectores (vector geométrico, vector fuerza, suma de vectores con el método del paralelogramo…) este conocimiento previo permite explicar la ley de Coulomb, campo eléctrico creado por cargas puntuales… fuerza de atracción magnética; y el desarrollo de algunas prácticas elementales tanto de electricidad (cuerpo cargado por frotación “peine frotado con el cabello”, … ), como de magnetismo

(acercar polos iguales / desiguales de dos imanes) y electrodinámica (circuitos de corriente directa con una pila seca, un interruptor, una resistencia y un

Light Emitting Diode “LED”)[1] y [2]. El hombre, en la búsqueda de explicar los fenómenos naturales a través de la historia, fue encontrando elementos fundamentales de la electrostática; por ejemplo,

el griego Tales de Mileto (ca. 630 - 545 a. C), electrificaba temporalmente el ámbar con frotamiento;

Coulomb en 1785 publicó con un vocabulario técnico científico un ensayo de electricidad y magnetismo[3];

Michael Faraday (1791- 1867) inglés estableció una representación gráfica con líneas que muestran la dirección y sentido del campo eléctrico que produce una carga eléctrica puntual en reposo. El magnetismo se remonta tanto a la cultura china, como a la griega con minerales naturales de magnetita, que atrae cuerpos férricos y el uso de la brújula.¿Por qué electromagnetismo? En general, hasta la segunda década del siglo XIX se consideraba que no existía relación entre la electricidad y el magnetismo. En 1820 el danés Hans Christian Oersted observó que, la aguja de una brújula perturbaba su orientación cuando se aproximaba a un alambre conductor por cuyo

interior circulaba corriente eléctrica. Posteriormente, el inglés Michael Faraday en 1831 mostró que, al mover rítmicamente una barra de imán permanente

sus extremos a un instrumento de medición (de la corriente eléctrica), en éste se detectó la presencia de una corriente eléctrica. El francés Jean – Beptiste Biot (1774 - 1862) y Félix Savart (1791 - 1841), experimentalmente identificaron y cuantificaron el campo magnético B, en el espacio libre que circunda a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, muy semejante éste al del campomagnético que rodea a un imán permanente.

Fundamentos teóricos

El medio (aire, vacío, material…) que rodea a un conductor por el que se mueven cargas eléctricas, así como en algunos de los materiales que están en contacto directo con el conductor, adquieren características magnéticas temporales cuya magnitud depende de su permeabilidad magnética (µ). Generalmente, el medio circundante de alrededor de un conductor eléctrico es el espacio libre o vacío, en este medio el valor de la constante de permeabilidad magnética es µ0 = 4[pic 1]*10 - 7tesla metro/amper (T.m/A). Cuando el (material) hierro dulce está en la proximidad del medio circundante de un conductor, aquel se magnetiza temporalmente y su permeabilidad relativa (µr) es del orden de 4000 [2], entonces, la permeabilidad magnética del material altamente

de Biot – Savartse caracteriza la densidad del campo magnético vectorial (B) que se propicia en el medio (con su correspondiente constante de permeabilidad magnética) que circunda a un conductor por el que se mueve una carga eléctrica (I). La caracterización de B para cualquier punto del medio que se identifica con la letra p, se inicia considerando que un elemento diferencial de carga se mueve en la dirección “ds” del conductor, y aquel se relaciona con el punto[pic 4][pic 5][pic 2][pic 3]

...