Nivel: Básico. Demostrar cómo mover un imán a través de una bobina genera una fuerza electromotriz (FEM).
Objetivo y caso de uso
En este caso práctico, construirá un demostrador fundamental de inducción electromagnética utilizando una bobina de cobre enrollada a mano y un imán de neodimio de alta potencia. Observará cómo la energía cinética se convierte en energía eléctrica mediante la Ley de Inducción de Faraday.
Por qué es útil:
* Generación de energía: Este mecanismo ilustra el principio central detrás de los generadores eléctricos, alternadores y turbinas eólicas.
* Tecnología de audio: Este es el principio de funcionamiento de los micrófonos dinámicos y las pastillas de guitarra eléctrica (transductores).
* Sensores: Utilizado en sensores de velocidad ABS automotrices y sensores de posición industriales.
* Carga inalámbrica: Demuestra los conceptos básicos del acoplamiento magnético utilizado en cargadores de teléfonos.
Resultado esperado:
* Un pico de voltaje medible (positivo o negativo) en el multímetro cuando el imán se mueve en relación con la bobina.
* El LED parpadea brevemente cuando el imán se mueve rápidamente, indicando un pico de voltaje que excede el voltaje directo del diodo (~1.8 V).
* Invertir la dirección del movimiento del imán invierte la polaridad del voltaje inducido.
Público objetivo: Estudiantes y aficionados que se inician en la Ley de Faraday y los componentes pasivos.
Materiales
- L1: Bobina de núcleo de aire (aprox. 500–1000 vueltas de alambre de cobre esmaltado), función: elemento de inducción.
- MAG1: Imán cilíndrico de neodimio (ajustado para pasar dentro de L1), función: fuente de flujo magnético.
- D1: LED rojo, función: indicador para inducción de fase positiva.
- D2: LED verde, función: indicador para inducción de fase negativa (conectado en antiparalelo).
- M1: Multímetro (configurado en rango de 200 mV o 2 V DC), función: monitor de voltaje.
Guía de conexionado
El circuito consiste en la bobina conectada directamente a los indicadores en paralelo. Definimos los terminales de la bobina como nodos COIL_A y COIL_B.
- L1: Se conecta entre el nodo
COIL_Ay el nodoCOIL_B. - D1: El ánodo se conecta a
COIL_A; el cátodo se conecta aCOIL_B. - D2: El ánodo se conecta a
COIL_B; el cátodo se conecta aCOIL_A(antiparalelo a D1). - M1: La sonda positiva se conecta a
COIL_A; la sonda negativa se conecta aCOIL_B.
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
markdown
Title: Practical case: Voltage induction by magnetic movement
[ INPUT / SOURCE ] [ DISTRIBUTION RAILS ] [ OUTPUT / LOADS ]
(Node A: Top Rail)
/------------------------------------------------------------------>
| | | |
[ MAG1: Magnet ] --(Flux)--> [ L1: Coil ] | (Anode) | (Cathode) | (+)
| v v v
| [ D1: Red LED ] [ D2: Grn LED ] [ M1: Meter ]
| (Lights if A > B) (Lights if B > A) (Monitor V)
| | | |
| | (Cathode) | (Anode) | (-)
\ v v v
\------------------------------------------------------------------>
(Node B: Bottom Rail)
Mediciones y pruebas
- Prueba estática: Coloque el imán dentro de la bobina y manténgalo completamente quieto. El multímetro debería leer 0 V, y ningún LED debería encenderse. Esto confirma que se requiere un campo magnético cambiante.
- Inserción lenta: Configure el multímetro en el rango de voltaje DC más bajo (p. ej., 200 mV). Empuje lentamente el imán dentro de la bobina. Observe una pequeña lectura de voltaje (p. ej., +10 a +50 mV).
- Acción rápida: Introduzca rápidamente el imán en la bobina. Debería ver un pico de voltaje significativamente más alto (potencialmente > 1 V) y D1 (Rojo) puede parpadear brevemente.
- Movimiento inverso: Saque rápidamente el imán fuera de la bobina. La polaridad del voltaje en el multímetro se invertirá (signo negativo), y D2 (Verde) debería parpadear.
- Oscilación: Mueva el imán hacia adelante y hacia atrás rápidamente dentro de la bobina. Los LEDs deberían parpadear alternativamente, demostrando la generación de Corriente Alterna (AC).
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Voltage induction by magnetic movement
.width out=256
*
* Description:
* Simulation of a magnet moving through a coil, inducing voltage to drive two antiparallel LEDs.
*
* Nodes:
* COIL_A : Hot terminal of the coil (Multimeter +)
* COIL_B : Reference terminal of the coil (Multimeter -, Grounded)
*
* Note: The physical "Coil" is modeled as a series combination of an EMF Voltage Source (V_MAG1),
* a Resistor (R_WIRE), and the Inductor (L1).
* --- Power / Reference ---
* Grounding COIL_B as per Multimeter negative probe convention
V_REF COIL_B 0 0
* --- Magnetic Induction Source (MAG1) ---
* Simulating the changing magnetic flux from MAG1 as an AC voltage source.
* 3V Peak, 5Hz (Simulates shaking the magnet)
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
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* Practical case: Voltage induction by magnetic movement
.width out=256
*
* Description:
* Simulation of a magnet moving through a coil, inducing voltage to drive two antiparallel LEDs.
*
* Nodes:
* COIL_A : Hot terminal of the coil (Multimeter +)
* COIL_B : Reference terminal of the coil (Multimeter -, Grounded)
*
* Note: The physical "Coil" is modeled as a series combination of an EMF Voltage Source (V_MAG1),
* a Resistor (R_WIRE), and the Inductor (L1).
* --- Power / Reference ---
* Grounding COIL_B as per Multimeter negative probe convention
V_REF COIL_B 0 0
* --- Magnetic Induction Source (MAG1) ---
* Simulating the changing magnetic flux from MAG1 as an AC voltage source.
* 3V Peak, 5Hz (Simulates shaking the magnet)
V_MAG1 N_EMF COIL_B SIN(0 3 5)
* --- Coil Assembly (L1) ---
* Internal wire resistance
R_WIRE N_EMF N_L1 5
* The physical inductance L1
L1 N_L1 COIL_A 10m
* --- Indicators ---
* D1: Red LED (Indicates Positive Phase)
* Anode: COIL_A, Cathode: COIL_B
D1 COIL_A COIL_B D_RED
* D2: Green LED (Indicates Negative Phase)
* Anode: COIL_B, Cathode: COIL_A
D2 COIL_B COIL_A D_GREEN
* --- Multimeter (M1) ---
* Modeled as the voltage difference V(COIL_A) - V(COIL_B)
* (Implicit in the node voltages)
* --- Models ---
* Generic LED Models
.model D_RED D(IS=1e-18 N=2 RS=10 BV=5)
.model D_GREEN D(IS=1e-18 N=2.5 RS=10 BV=5)
* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 1ms step, 500ms duration (2.5 cycles at 5Hz)
.tran 1m 500m
* --- Output ---
* Monitoring the induced voltage at COIL_A
.print tran V(COIL_A) I(L1)Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (522 rows)
Index time v(coil_a) l1#branch 0 0.000000e+00 4.375392e-35 -8.75078e-36 1 1.000000e-05 9.424778e-04 1.884985e-15 2 2.000000e-05 1.884955e-03 3.769970e-15 3 4.000000e-05 3.769910e-03 7.539938e-15 4 8.000000e-05 7.539814e-03 1.507987e-14 5 1.600000e-04 1.507958e-02 3.015936e-14 6 3.200000e-04 3.015878e-02 6.031856e-14 7 6.400000e-04 6.031451e-02 1.206316e-13 8 1.280000e-03 1.206046e-01 2.412214e-13 9 2.280000e-03 2.147012e-01 4.294658e-13 10 3.280000e-03 3.085859e-01 6.175653e-13 11 4.280000e-03 4.021661e-01 8.067202e-13 12 5.280000e-03 4.953494e-01 1.005111e-12 13 6.280000e-03 5.880438e-01 1.262566e-12 14 7.280000e-03 6.801579e-01 1.873422e-12 15 8.280000e-03 7.716008e-01 4.548512e-12 16 9.280000e-03 8.622822e-01 1.907006e-11 17 1.028000e-02 9.521126e-01 1.003825e-10 18 1.128000e-02 1.041003e+00 5.511221e-10 19 1.228000e-02 1.128867e+00 3.003086e-09 20 1.328000e-02 1.215616e+00 1.605415e-08 21 1.428000e-02 1.301164e+00 8.389370e-08 22 1.528000e-02 1.385424e+00 4.276266e-07 23 1.628000e-02 1.468291e+00 2.121308e-06 ... (498 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Uso de imanes débiles: Los imanes de ferrita negra estándar suelen ser demasiado débiles para generar un voltaje visible en un LED. Solución: Use imanes de neodimio de tierras raras.
- Moverse demasiado lento: La Ley de Faraday (V = – N · d\Phi / dt) depende de la tasa de cambio. Solución: Mueva el imán lo más rápido posible para maximizar el pico de voltaje.
- Problemas de aislamiento: El alambre esmaltado tiene un recubrimiento transparente que bloquea la electricidad. Solución: Asegúrese de que los extremos del alambre de la bobina estén lijados o raspados hasta el cobre desnudo antes de conectarlos a los LEDs o al multímetro.
Solución de problemas
- Síntoma: El multímetro muestra voltaje, pero los LEDs nunca se encienden.
- Causa: El voltaje inducido es menor que el umbral de voltaje directo del LED (~1.8 V).
- Solución: Añada más vueltas a la bobina (aumente $N$) o mueva el imán más rápido.
- Síntoma: No hay lectura en el multímetro incluso con movimiento rápido.
- Causa: Circuito abierto o mala conexión en las puntas de la bobina.
- Solución: Verifique la continuidad (modo resistencia) a través de los terminales de la bobina; debería leer unos pocos Ohmios, no infinito.
- Síntoma: La lectura de voltaje es errática o difícil de ver.
- Causa: Los multímetros digitales tienen una tasa de muestreo lenta.
- Solución: Use la función de retención «Max/Min» si está disponible, o use un multímetro analógico (de aguja) que responde mejor a los pulsos transitorios.
Posibles mejoras y extensiones
- Linterna de agitación: Añada un puente rectificador (4 diodos) y un condensador grande (p. ej., 1000 µF) para almacenar la energía generada al agitar el imán, permitiendo que el LED permanezca encendido durante unos segundos después de que el movimiento se detenga.
- Comparación de núcleo: Inserte un perno de hierro dentro de la bobina (convirtiéndola en un inductor de núcleo de hierro) y mueva un imán cerca de la cabeza del perno para observar cómo el núcleo ferromagnético concentra el flujo magnético y afecta la inducción.
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