Una pila que roda sola

Si ja vas veure El motor més senzill del món, ara pots gaudir de El vehicle elèctric més simple de l’Univers.

pila

Corrent elèctric (blau), camp magnètic (vermell) i força magnètica i moviment (verd) en la pila que roda sola

El material necessari és, com sol ser habitual, uns imants de neodimi, una pila AA i paper d’alumini (del de cuina). Només cal que els imants de neodimi tinguin un diàmetre un xic superior a la pila i enganxar els imants als dos costats de la pila però amb els pols nord (o sud) enfrontats tal com es pot veure en l’esquema.

El paper d’alumini i els dos imants, conductors elèctrics, fan que el circuit elèctric es tanqui i es generi un corrent (color blau) en sentit horari en el dibuix. El camp magnètic intens (color vermell) actua sobre aquest corrent elèctric realitzant una força magnètica sobre cada imant, seguint la regla de la mà dreta, que fa desplaçar el conjunt en el mateix sentit (color verd) que la força, cap a dins de la pantalla.

Si els dos imants de neodimi són de diferent diàmetre el conjunt es desplaçarà igualment però descrivint un moviment de rotació sobre la taula de forma contínua. Aquesta darrera idea està extreta d’una demostració d’en Lluís Nadal i Balandras, professor de l’institut Lluís de Requesens de Molins de Rei i un dels millors divulgadors científics de Catalunya, gràcies Lluís!

Bé, i ara cap a la cuina a buscar el paper d’alumini…

Anuncis

Tren magnètic

Sorprenent! En aquests temps que es parla tant del Maglev (tren de levitació magnètica) nosaltres podem fer fàcilment un tren magnètic que no levita però que circula curiosament per dintre un solenoide.

Com sempre aprofitem els camps magnètics intensos creats per imants de neodimi i només necessitem una pila AA i fil conductor que ha de ser de material no ferromagnètic (per raons òbvies) però no ha d’estar esmaltat. Així doncs no ens serveix el fil de coure que s’utilitza normalment per fer bobines per motors o electroimants.

La màquina del tren està composta d’una pila amb un o dos imants al davant i també al darrera tenint en compte que els seus pols han d’estar confrontats tal com es veu al dibuix.

El solenoide ha de tenir un diàmetre lleugerament superior al dels imants de neodimi i que alhora ha de ser també una mica més gran que el diàmetre de la pila (per tal de facilitar el contacte dels imants amb les espires del fil conductor).

El corrent elèctric que circula per l'espira crea un camp magnètic que...

El corrent elèctric que circula per l’espira crea un camp magnètic que…

El funcionament és relativament senzill d’explicar: es crea un circuit elèctric (pol positiu de la pila – imant de neodimi – solenoide – imant de neodimi – pol negatiu de la pila) de manera que en circular aquest corrent elèctric per la bobina crea un camp magnètic oposat a l’imant del davant i del mateix sentit que l’imant posterior. Aquesta configuració realitza doncs un parell de forces i ambdues empenyen cap endavant el conjunt imant – pila – imant.

Tal com es pot veure en el vídeo el moviment s’atura quan el primer imant perd el contacte i per tant el corrent elèctric deixa de circular. També podem veure en el vídeo que el tren circula en un sentit i aquest depèn de la polaritat dels imants, de la polaritat de la pila i del sentit de rotació de la bobina.

 

Caiguda lenta

Camp magnètic (vermell) creat per l'anell i camps magnètics (blau) creats pels corrents de Foucault

Camp magnètic (vermell) creat per l’anell i camps magnètics (blau) creats pels corrents de Foucault

Un efecte curiós degut als corrents de Foucault i que té una aplicació directa als frens elèctrics que porten els autocars i camions.

Aquest efecte es pot observar de moltes maneres però en aquest cas ho fem deixant caure un imant de neodimi en forma d’anell. Primer ho fem utilitzant una vareta de fusta: l’imant cau pràcticament en caiguda lliure, la fricció és pràcticament nul·la. Després repetim l’experiència utilitzant un tub d’alumini (material no ferromagnètic: l’imant no l’atrau) i observem que la caiguda és clarament molt més lenta i amb velocitat pràcticament constant.

Una primera conclusió: segons la primera llei de Newton, en el segon cas ha d’actuar sobre l’imant una força exactament igual que el seu pes però en sentit contrari per tal que la força total que actua sobre l’imant sigui nul·la i per tant mantingui el seu moviment uniforme.

La pregunta és: quina és aquesta força? Resposta: és una força magnètica deguda a que s’originen sobre l’alumini corrents anul·lars de Foucault (degut a que el metall és conductor, això no passava amb la fusta) i que generen un camp magnètic (blau) que interactua amb el de l’imant (vermell) fent una força vertical i cap amunt.

Els corrents induïts de Foucault es creen en una espira quan hi ha variació de flux de camp magnètic que la travessa. El sentit del corrent és tal que sempre s’oposa a la variació de flux, per això en el nostre cas en la part superior i inferior els sentits dels corrents són diferents, en tots dos casos generen un camp magnètic que frena la caiguda de l’imant anul·lar.

Raïm diamagnètic

Grafit pirolític, fortament diamagnètic, levitant damunt d'imants

Grafit pirolític, fortament diamagnètic, levitant damunt d’imants

Tothom sap que el ferro, l’acer… són atrets fortament pels imants, són materials ferromagnètics. Possiblement hem llegit alguna vegada que també hi ha materials paramagnètics i diamagnètics segons el seu comportament en presència de camps magnètics. Ara doncs estem a punt de comprovar que l’aigua és un material diamagnètic, és a dir és repel·lida per un camp magnètic.

A tall d’informació, hi ha molts altres materials diamagnètics: la fusta, molts plàstics, el coure, l’or i molts metalls pesants. El grafit pirolític és un material fortament diamagnètic de manera que es pot fer levitar damunt d’un camp magnètic tal com observem en la imatge… passa però que és car i difícil d’aconseguir ;-(

RaimDiamagnetic2Què necessitem? Només els ja clàssics imants de neodimi, raïm, una palla de beure i una mica de fil. Enfilem dos grans de raïm a les puntes de la palla i amb el fil suspenem el conjunt en equilibri horitzontal.  Ara acostem els imants a un dels grans de raïm i observarem que lentament el raïm s’allunya… si repetim el procés amb l’altre raïm aconseguirem aturar la rotació i després moure el conjunt en sentit contrari.

Així doncs hem pogut comprovar com l’aigua (que és bàsicament el que conté un raïm) és repel·lida lleugerament per un camp magnètic degut al seu diamagnetisme.

Reflexioneu-hi, reflexioneu-hi… sobretot el 31 de desembre a les dotze de la nit. Bon any nou!

Un motor que camina

Amb els imants de neodimi podem fer experiències sorprenents: ara un motor que camina tot sol!

El camp magnètic (B) actua sobre el corrent elèctric (I) generant una força (F) que fa girar la pila

El camp magnètic (B) actua sobre el corrent elèctric (I) generant una força (F) que fa girar la pila

Necessitem, com sempre, un mínim de quatre imants de neodimi, una pila tipus AA i un fil de coure (una mica gruixut i sense esmaltar).

Primer necessitem dos conjunts d’imants, marquem el seu pol nord de manera que els enganxem al pol positiu i negatiu de la pila amb el pol nord cap el centre de la pila en ambdós casos. Donem forma al fil de coure de manera que abraci lleugerament als imants i alhora toqui el terra sense gaire fregament. Ja tenim el motor que camina a punt, només cal situar el fil de coure… i a córrer!

Hem d’anar en compte perquè segons el sentit de la pila i com situem els imants (pol nord cap a dins o cap enfora) el motor girarà en un sentit o en un altre.

Les forces que provoquen el moviment són les forces magnètiques resultants de l’actuació del camp magnètic dels imants sobre el corrent elèctric que circula per fil de coure i per l’interior dels propis imants (en sentit radial) en curtcircuitar-ne la pila. Podem observar el dibuix per veure’n el detall, sempre tenint en compte la regla de la mà dreta.

Si apliquem la regla de la mà dreta a l’altre imant comprovarem que la força magnètica actua en el mateix sentit, el del moviment del conjunt.

Nota: Cal tenir present que el coure s’oxida fàcilment, per tant abans de realitzar l’experiència és millor fregar-lo una mica amb paper de vidre per millorar el contacte elèctric entre el coure i l’imant.