Ampliación: construye un electroimán y estudia de qué depende su fuerza

Explicación

Errores frecuentes

• ErrorCambiar a la vez el número de espiras y la pila, y atribuir el resultado a las espiras.

  Cómo corregirloCambia una sola variable cada vez. Si cambian dos, no sabes cuál ha causado el efecto.

• ErrorFiarse de una sola medida.

  Cómo corregirloEl número de clips varía de un intento a otro. Repite tres veces y calcula la media.

• ErrorEnrollar unas espiras en un sentido y otras en el contrario.

  Cómo corregirloSi cambias de sentido, los campos de esas espiras se restan. Enrolla siempre en el mismo sentido.

Ejemplos resueltos

1. Ejemplo 1. ¿Influye el número de espiras? experimental (tabla y gráfica)

   Un grupo construye un electroimán con un clavo de hierro y una pila de 4,5 V y mide cuántos clips levanta con distinto número de espiras (tres intentos cada vez):

   Espiras	Intento 1	Intento 2	Intento 3
   10	2	3	2
   20	5	4	5
   30	7	6	8
   40	9	10	9
   50	12	11	11

   a) Identifica las variables. b) Calcula la media de cada fila. c) Observa la gráfica y saca una conclusión.

   Resolución

   a) Variable independiente: número de espiras. Variable dependiente: número de clips levantados. Variables controladas: la pila, el clavo, el tipo de clip y el tipo de hilo.

   b) Medias: 10 espiras → $2{,}3$ clips; 20 → $4{,}7$; 30 → $7{,}0$; 40 → $9{,}3$; 50 → $11{,}3$.

   c) En la gráfica, los puntos quedan casi alineados en una recta que pasa cerca del origen: cuantas más espiras, más clips levanta, y de forma aproximadamente proporcional (unos $0{,}23$ clips más por cada espira; es decir, unos 2,3 clips por cada 10 espiras).

2. Ejemplo 2. ¿Importa el material del núcleo? experimental (control de variables)

   Con una bobina de 40 espiras y la misma pila, se prueban distintos núcleos del mismo tamaño. Resultados (media de tres intentos): sin núcleo, 0 clips; varilla de madera, 0; varilla de aluminio, 0; clavo de hierro, 9; tornillo de acero, 6. Además, al cortar la corriente, el tornillo de acero se queda con 2 clips pegados. ¿Qué conclusiones se sacan?

   Resolución

   1. Sin núcleo, o con madera o aluminio, la bobina es demasiado débil para levantar clips: esos materiales no refuerzan el campo.
   2. El hierro lo refuerza muchísimo (9 clips) y el acero también, algo menos (6 clips).
   3. El acero se queda imantado al cortar la corriente (retiene 2 clips). El hierro no.

   Conclusión: el mejor núcleo para un electroimán es el hierro dulce: hace el electroimán fuerte y deja de ser imán en cuanto se corta la corriente, que es justo lo que se busca.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. 1. Fácil

   Marta quiere comprobar si la intensidad de la corriente influye en la fuerza de un electroimán. Conecta su electroimán a una, dos y tres pilas de 1,5 V puestas en fila (1,5 V, 3 V y 4,5 V) y cuenta los clips. a) ¿Cuál es la variable independiente? ¿Y la dependiente? b) Escribe tres variables que debe mantener constantes. c) Obtiene estas medias: 3,3 clips, 6,3 clips y 9,7 clips. ¿Qué conclusión saca?

   Ver solución

   a) Independiente: la intensidad (el número de pilas); dependiente: el número de clips. b) Número de espiras, núcleo, tipo de clips (y el hilo). c) A más intensidad, más fuerte es el electroimán (de forma aproximadamente proporcional).

   a) Cambia a propósito el número de pilas, y con él la intensidad: es la variable independiente. Mide el número de clips: variable dependiente. b) El número de espiras, el núcleo (el mismo clavo), el tipo de clips, el hilo y la forma de acercar el clavo. c) Con el doble de pilas levanta casi el doble de clips, y con el triple, casi el triple: cuanto mayor es la intensidad, más fuerte es el electroimán, aproximadamente de forma proporcional.

2. 2. Media

   Una empresa necesita un electroimán para una grúa de desguace que levante coches viejos y los suelte en otro sitio. Con los resultados del ejemplo 2 (madera 0 clips, aluminio 0, hierro 9, acero 6 y se queda imantado), ¿de qué material harías el núcleo? Justifica por qué descartas cada uno de los otros.

   Ver solución

   De hierro dulce. Madera y aluminio no refuerzan el campo; el acero se quedaría imantado y no soltaría bien la chatarra.

   Hierro dulce, porque es el que más refuerza el campo y pierde el magnetismo al cortar la corriente, así que la grúa suelta los coches cuando se apaga.

   • Madera y aluminio: no refuerzan el campo; el electroimán sería muy débil.
   • Acero: funciona, pero se queda imantado y la chatarra seguiría pegada al cortar la corriente.

3. 3. Media

   Javier compara dos electroimanes. El A tiene 20 espiras y está conectado a una pila de 1,5 V; el B tiene 50 espiras y está conectado a una pila de 4,5 V. El B levanta muchos más clips, y Javier concluye: «Está claro que el número de espiras es lo que hace más fuerte un electroimán». ¿Es correcta su conclusión? ¿Cómo debería repetir el experimento?

   Ver solución

   No: ha cambiado dos variables a la vez (espiras e intensidad). Debe usar la misma pila en los dos y cambiar solo el número de espiras.

   La conclusión no es válida: entre A y B ha cambiado dos variables (el número de espiras y la pila, es decir, la intensidad). La diferencia puede deberse a cualquiera de las dos, o a ambas.

   Para estudiar el efecto de las espiras debe conectar los dos electroimanes a la misma pila, con el mismo clavo y los mismos clips, y cambiar solo el número de espiras, repitiendo cada medida tres veces.

Para practicar más

1. 1. Fácil

   Diseña un experimento para averiguar si un electroimán es más fuerte con un núcleo de hierro o con un núcleo de níquel (dispones de dos varillas iguales, una de cada metal). Indica: a) las variables independiente, dependiente y controladas; b) los pasos que seguirías; c) la tabla que prepararías para anotar los resultados.

   Ver solución

   Independiente: material del núcleo; dependiente: clips levantados; controladas: espiras, pila, tamaño del núcleo, clips. Tabla con material y tres intentos más la media.

   a) Independiente: material del núcleo (hierro o níquel). Dependiente: número de clips levantados. Controladas: número de espiras, pila, tamaño de las varillas, tipo de clips, hilo. b) 1) Enrollar el mismo número de espiras (por ejemplo, 40) sobre cada varilla. 2) Conectar a la misma pila durante unos segundos y contar los clips. 3) Repetir tres veces con cada núcleo. 4) Calcular las medias y comparar. c) Tabla con columnas: Núcleo | Intento 1 | Intento 2 | Intento 3 | Media; una fila para el hierro y otra para el níquel.

2. 2. Media

   Con un electroimán de 40 espiras y una fuente de alimentación se mide la intensidad con un amperímetro y los clips que levanta (media de tres intentos):

   Intensidad (A)	0,5	1,0	1,5	2,0
   Clips (media)	3	6	8	11

   a) Representa los puntos en la gráfica (sin unirlos) y traza la recta de tendencia. b) ¿Qué relación hay entre la intensidad y la fuerza del electroimán? c) ¿Cuántos clips levantaría, aproximadamente, con 1,2 A?

   Ver solución

   b) Aproximadamente proporcional: a doble intensidad, doble número de clips. c) Unos 7 clips.

   a) Puntos (0,5; 3), (1,0; 6), (1,5; 8), (2,0; 11). Están casi alineados en una recta que pasa cerca del origen, de pendiente unos 5,5 clips por amperio. b) Cuanto mayor es la intensidad, más clips levanta, de forma aproximadamente proporcional. c) Leyendo en la recta de tendencia: $5{,}5 \cdot 1{,}2 \approx 6{,}6$, es decir, unos 7 clips.

3. 3. Difícil

   Con los resultados del ejemplo 1 (el electroimán levanta, de media, unos 0,23 clips por cada espira, con la misma pila y el mismo clavo): a) ¿cuántas espiras harían falta, aproximadamente, para levantar 20 clips? b) ¿Por qué esta predicción es menos fiable que leer un valor dentro del intervalo medido? c) Escribe otra forma de conseguir un electroimán más fuerte sin añadir espiras.

   Ver solución

   a) Unas 87 espiras (alrededor de 90). b) Porque es una extrapolación: no sabemos si la proporción se mantiene fuera de lo medido. c) Aumentar la intensidad (pila de más voltaje o fuente de alimentación).

   a) Si es proporcional: $\text{espiras} = \dfrac{20}{0{,}23} \approx 87$, es decir, unas 90 espiras. b) Solo se midió hasta 50 espiras. Predecir para 87 es extrapolar: la relación podría dejar de ser proporcional (por ejemplo, la bobina se hace muy larga y gruesa, o el núcleo se «satura»). Habría que comprobarlo. c) Aumentar la intensidad de la corriente, por ejemplo con una pila de más voltaje o una fuente de alimentación (con cuidado de no calentar demasiado el hilo).