Caso práctico: La bobina como un electroimán simple

Nivel: Básico – Demostrar la relación entre la corriente y el campo magnético utilizando un núcleo de hierro.

Objetivo y caso de uso

En este experimento, construirás un electroimán funcional enrollando alambre de cobre aislado alrededor de un núcleo ferromagnético (clavo o perno de hierro) y alimentándolo con una fuente de CC.

• Por qué es útil:
  • Relés electromecánicos: Utilizados para conmutar circuitos de alto voltaje usando señales de bajo voltaje.
  • Motores eléctricos: Principio fundamental para convertir energía eléctrica en movimiento mecánico.
  • Solenoides: Utilizados en cerraduras electrónicas de puertas, válvulas y arranques de automóviles.
  • Elevación industrial: Grandes electroimanes utilizados para levantar chatarra metálica en desguaces.
• Resultado esperado:
  • Cuando el interruptor está abierto, el núcleo no exhibe propiedades magnéticas; las limaduras de hierro o los clips permanecen en la mesa.
  • Cuando el interruptor está cerrado, la corriente fluye a través de la bobina, generando un campo magnético.
  • El núcleo de hierro concentra el flujo magnético, permitiendo que el dispositivo levante pequeños objetos metálicos (clips, arandelas).
  • Soltar el interruptor detiene la corriente, causando que los objetos caigan inmediatamente.
• Público objetivo: Estudiantes y aficionados aprendiendo electromagnetismo básico.

Materiales

• V1: Paquete de baterías de 4.5 V CC (3x baterías AA), función: fuente de energía.
• S1: Interruptor pulsador momentáneo (NO), función: control de corriente.
• L1: Bobina solenoide (aprox. 50-100 vueltas de alambre de cobre esmaltado), función: genera campo magnético.
• CORE: Clavo grande o perno de hierro (hierro dulce), función: núcleo magnético para L1.
• R1: Resistencia de potencia de 1 Ω (5W) o similar, función: limitación de corriente (opcional pero recomendado para proteger la batería).
• X1: Limaduras de hierro o pequeños clips de acero, función: carga de prueba para visualizar la atracción.

Guía de conexionado

• V1 (Positivo): Se conecta al nodo VCC.
• V1 (Negativo): Se conecta al nodo 0 (GND).
• S1: Se conecta entre el nodo VCC y el nodo SW_OUT.
• R1: Se conecta entre el nodo SW_OUT y el nodo COIL_IN.
• L1: Se conecta entre el nodo COIL_IN y el nodo 0 (GND).
  • Nota: El alambre para L1 debe estar físicamente enrollado firmemente alrededor del CORE.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 4.5 V Battery ] --(VCC)--> [ S1: Push Button ] --(SW_OUT)--> [ R1: 1 Ω Resistor ] --(COIL_IN)--> [ L1: Coil + Iron Core ] --> GND
                                                                                                                |
                                                                                                         (Magnetic Field)
                                                                                                                |
                                                                                                                V
                                                                                                       [ X1: Paperclips ]

Mediciones y pruebas

1. Comprobación inicial: Antes de conectar la batería, coloque el CORE (con el alambre enrollado alrededor) cerca de las limaduras de hierro (X1). Confirme que no hay atracción.
2. Activación: Mantenga presionado S1 para cerrar el circuito.
3. Observación: Mientras sostiene S1, mueva la punta del CORE cerca de las limaduras de hierro o clips.
4. Verificación: Observe que los objetos metálicos se adhieren al CORE.
5. Desactivación: Suelte S1. La corriente deja de fluir, el campo magnético colapsa y los objetos deberían caerse.
6. Comprobación de corriente (Opcional): Conecte un multímetro en serie entre S1 y R1 para medir el flujo de corriente (Amperios) durante la activación.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: The coil as a simple electromagnet
.width out=256

* --- Power Source ---
* V1: 4.5 V DC Battery pack (3x AA batteries)
V1 VCC 0 DC 4.5

* --- Control Signal for Switch S1 ---
* Simulates the user pressing the button (S1).
* Logic: 0V (Released) -> 5V (Pressed).
* Timing: Press at 1ms, hold for 50ms, release.
V_S1_CTRL S1_GATE 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 50m 100m)

* --- Circuit Components ---

* S1: Momentary Push-button Switch (NO)
* Function: Connects VCC to SW_OUT when S1_GATE is High.
S1 VCC SW_OUT S1_GATE 0 SW_MODEL

* R1: 1 Ohm Power Resistor
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: The coil as a simple electromagnet
.width out=256

* --- Power Source ---
* V1: 4.5 V DC Battery pack (3x AA batteries)
V1 VCC 0 DC 4.5

* --- Control Signal for Switch S1 ---
* Simulates the user pressing the button (S1).
* Logic: 0V (Released) -> 5V (Pressed).
* Timing: Press at 1ms, hold for 50ms, release.
V_S1_CTRL S1_GATE 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 50m 100m)

* --- Circuit Components ---

* S1: Momentary Push-button Switch (NO)
* Function: Connects VCC to SW_OUT when S1_GATE is High.
S1 VCC SW_OUT S1_GATE 0 SW_MODEL

* R1: 1 Ohm Power Resistor
* Function: Current limiting between Switch and Coil.
R1 SW_OUT COIL_IN 1

* L1: Solenoid Coil (approx 50-100 turns on Soft Iron Core)
* Function: Generates magnetic field.
* Value: 5mH (Estimated for described coil).
L1 COIL_IN 0 5m

* D1: Flyback Diode (Added per review)
* Function: Protects S1 by clamping inductive kickback when switch opens.
* Connection: Anode to GND (0), Cathode to COIL_IN.
D1 0 COIL_IN D_1N4007

* --- Models ---
* Switch Model: Low resistance ON, High resistance OFF.
.model SW_MODEL sw (vt=2.5 vh=0.2 ron=0.05 roff=100Meg)

* Diode Model: Standard Silicon Rectifier (1N4007).
.model D_1N4007 D (IS=2.5n RS=0.04 N=1.7 BV=1000 IBV=5u)

* --- Analysis ---
* Transient analysis for 100ms to capture energizing and de-energizing.
.tran 10u 100m
.op

* --- Output Directives ---
* V(S1_GATE): Input Control
* V(COIL_IN): Output Voltage at Coil
* V(SW_OUT): Voltage after Switch
* I(L1): Current through Coil (Magnetic Field Strength)
.print tran V(S1_GATE) V(COIL_IN) V(SW_OUT) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The provided log data only covers the initial OFF state (0s) and the final OFF state (100ms). The signals are effectively zero (nano-amps range), confirming the circuit returns to rest, although there is some negligible numerical ringing (+/- 80mV) at the coil input in the final steps.

Show raw data table (10053 rows)

Index   time            v(s1_gate)      v(coil_in)      v(sw_out)       l1#branch
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.500000e-08	4.500000e-08
1	1.000000e-07	0.000000e+00	-1.58289e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
2	2.000000e-07	0.000000e+00	-1.58289e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
3	4.000000e-07	0.000000e+00	-1.58289e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
4	8.000000e-07	0.000000e+00	-2.44581e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
5	1.600000e-06	0.000000e+00	3.684064e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
6	3.200000e-06	0.000000e+00	-3.03688e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
7	6.400000e-06	0.000000e+00	2.882625e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
8	1.280000e-05	0.000000e+00	-3.16655e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
9	2.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
10	3.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
11	4.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
12	5.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
13	6.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
14	7.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
15	8.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
16	9.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
17	1.028000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
18	1.128000e-04	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
19	1.228000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
20	1.328000e-04	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
21	1.428000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
22	1.528000e-04	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
23	1.628000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
... (10029 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Sobrecalentamiento de la batería/alambre: Crear una bobina con muy baja resistencia (alambre corto) consume una corriente excesiva. Solución: Use un alambre más largo (más vueltas) o incluya la resistencia limitadora R1.
2. Usar un núcleo no magnético: Enrollar alambre alrededor de aluminio, plástico o madera. Solución: Asegúrese de que el núcleo sea ferromagnético (hierro o acero) para concentrar las líneas de campo magnético.
3. Dejar el interruptor cerrado demasiado tiempo: Esto agota la batería rápidamente y calienta la bobina. Solución: Use un pulsador momentáneo y solo pulse la energía para pruebas cortas.

Solución de problemas

• Síntoma: No hay atracción magnética cuando se presiona el interruptor.
  • Causa: Batería muerta o conexión del circuito rota (el aislamiento de esmalte no se peló en los puntos de conexión).
  • Solución: Verifique el voltaje de la batería; asegúrese de que los extremos del alambre magnético estén lijados hasta el cobre desnudo antes de conectarlos al circuito.
• Síntoma: Atracción magnética muy débil.
  • Causa: Muy pocas vueltas en la bobina o corriente baja.
  • Solución: Añada más vueltas de alambre alrededor del clavo; asegúrese de que los devanados estén apretados y ordenados.
• Síntoma: El alambre se calienta extremadamente de inmediato.
  • Causa: Condición de cortocircuito (resistencia demasiado baja).
  • Solución: Añada la resistencia en serie R1 o aumente la longitud del alambre utilizado para L1.

Posibles mejoras y extensiones

1. Fuerza variable: Añada un potenciómetro (reóstato) en serie para variar la corriente y observar cómo cambia la capacidad de levantamiento (número de clips levantados).
2. Comparación de núcleos: Reemplace el clavo de hierro con un núcleo de aire (retire el clavo) o una varilla de latón para demostrar la importancia de la permeabilidad en los electroimanes.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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