Electroimanes y motores eléctricos: cómo funcionan

Una aguja que se movió

En 1820 Hans Christian Ørsted, en Copenhague, vio girar una aguja de brújula cerca de un cable al conectar la corriente. Según el relato habitual ocurrió durante una demostración. Publicó en julio de 1820 que la electricidad y el magnetismo están ligados. La escena dibuja anillos de campo alrededor del cable, y la aguja gira para seguirlos. Para un cable largo y recto B = μ₀I / (2πr), con μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Con 10 A y 5 cm, B = 2 × 10⁻⁷ × 10 / 0,05 = 4 × 10⁻⁵ T, es decir, 40 µT, del tamaño del campo terrestre.

La bobina

Enrolla el cable en una bobina, un solenoide, y los anillos se suman en un campo fuerte a lo largo de su eje. En el interior, B = μ₀·n·I, donde n es el número de espiras por metro e I la corriente. Una bobina de 500 espiras en 0,10 m tiene n = 5.000 por metro; con 2 A, B = 4π × 10⁻⁷ × 5.000 × 2 ≈ 0,0126 T, o sea 12,6 mT, con solo aire dentro. Introduce un núcleo de hierro dulce y el campo crece cientos de veces, porque los dominios del hierro se alinean. William Sturgeon construyó un electroimán práctico temprano en la década de 1820. Apaga la corriente y el campo desaparece.

Fuerza sobre un cable

Pon un cable con corriente en un campo magnético y recibe un empujón lateral. La fuerza es F = B·I·L, donde B es el campo en teslas, I la corriente en amperios y L la longitud de cable dentro del campo en metros. Con B = 0,5 T, I = 4 A y L = 0,10 m, F = 0,5 × 4 × 0,10 = 0,2 N. En 1821 Michael Faraday usó este empuje para hacer que un cable diera vueltas alrededor de un imán, la primera rotación electromagnética continua, y nació la idea del motor eléctrico.

El motor de la imagen

El motor en corte tiene una espira rectangular entre dos imanes. La corriente sube por un lado y baja por el otro, así que los dos lados reciben empujes opuestos y la espira gira. Tras media vuelta el empuje se invertiría y la frenaría, por lo que un anillo partido llamado conmutador cambia justo entonces el sentido de la corriente. Las escobillas tocan el anillo y la espira sigue girando. Un imán más fuerte, más espiras o más corriente dan más fuerza de giro. Los motores prácticos de corriente continua llegaron en la década de 1830. El laboratorio te deja cambiar la corriente y las espiras.

Altavoces y coches

Un altavoz es un motor que no gira: una bobina pegada a un cono está en el campo de un imán. La señal de la música hace variar la corriente, la fuerza F = B·I·L empuja el cono de un lado a otro y el cono mueve el aire. Con 5 m de cable en un campo de 1 T y 1 A, la fuerza es 1 × 1 × 5 = 5 N. Un coche eléctrico usa un motor de la misma familia. A 25 m/s (90 km/h), un motor que entrega 50 kW empuja el coche con F = P / v = 50.000 / 25 = 2.000 N.

Trenes que flotan

Los trenes maglev se despegan de la vía. En un diseño, electroimanes bajo el tren tiran hacia arriba hacia el carril; en otro, imanes superconductores y bobinas de la vía elevan y empujan. Sin ruedas que rocen, el principal freno es el aire. El Maglev de Shanghái transporta pasajeros desde 2004 a hasta 431 km/h, es decir, 431 / 3,6 ≈ 120 m/s. Un tren de pruebas japonés alcanzó los 603 km/h en 2015. En la escena las bobinas a lo largo de la vía se encienden por turnos, como un motor desenrollado en línea recta.

Electroimanes y motores