Guía didáctica del módulo

Fuerza magnética y motor de corriente continua: Guía didáctica para el docente

Guía para el uso didáctico del simulador Magnetic Force & Motor para explicar en clase la fuerza sobre un conductor en campo magnético (segunda ley de Laplace), la regla de la mano derecha y el principio de funcionamiento del motor de corriente continua con espira animada. Pensada para docentes de física y tecnologías eléctricas.

Módulo: Magnetic Force & Motor · Dos pestañas: Magnetic Force · DC Motor

Fenómeno físico

Un conductor recorrido por corriente eléctrica e inmerso en un campo magnético $B$ sufre una fuerza descrita por la segunda ley de Laplace: la formulación macroscópica, para un conductor, de la ley de Lorentz que vale microscópicamente para una sola carga en movimiento. La fuerza actúa perpendicularmente tanto a la dirección de la corriente como a la del campo. Para un tramo rectilíneo de conductor de longitud $L$ recorrido por corriente $I$ :

$F = I \cdot L \times B$

El módulo es $F = B \cdot I \cdot L \cdot sin θ$ , donde $θ$ es el ángulo entre corriente y campo. La fuerza es máxima cuando corriente y campo son perpendiculares ( $sin θ = 1$ ), nula cuando son paralelos.

El sentido se determina con la regla de la mano derecha: pulgar en la dirección de la corriente, índice en la dirección del campo magnético, el dedo medio apunta en el sentido de la fuerza.

Una espira recorrida por corriente inmersa en un campo magnético sufre en cada uno de sus lados una fuerza distinta: estas fuerzas, equilibradas en los pares opuestos, generan un par mecánico (momento de torsión) que hace rotar la espira. Es el principio de funcionamiento del motor eléctrico de corriente continua: la adición de un dispositivo (colector + escobillas) que invierte periódicamente el sentido de la corriente en la espira mantiene la rotación coherente.

Conceptos clave

Campo magnético $B$ : magnitud vectorial que describe la intensidad y la dirección del magnetismo en el espacio. Se mide en tesla (T).
Fuerza sobre conductor: proporcional a $B$ , $I$ y $L$ , con dependencia del seno del ángulo.
Regla de la mano derecha: herramienta operativa para establecer el sentido de la fuerza.
Convención $⊙$ y $\otimes$ : punto = corriente saliendo del papel (o campo saliente); cruz = corriente entrando.
Par sobre espira: el producto de las fuerzas en los lados opuestos por la "palanca" entre ellos. Es el que hace rotar el rotor.
Colector: el "truco" mecánico que hace posible el motor DC: invierte la corriente en la espira dos veces por vuelta, manteniendo el par siempre en el mismo sentido de rotación.
Par máximo y nulo: el par es máximo cuando la espira está paralela al campo, nulo cuando está perpendicular (posición de equilibrio inestable).

Cómo usarlo en el aula

Apertura: pestaña Magnetic Force. Mostrar el conductor horizontal inmerso en el campo magnético (flechas verticales). Aumentar la corriente $I$ : la flecha de la fuerza $F$ se alarga proporcionalmente. Aumentar el campo $B$ : mismo efecto. Alargar el conductor: misma proporcionalidad. Hacer enunciar a los alumnos la fórmula antes de escribirla.

Desarrollo: la regla de la mano derecha. Invertir el sentido de $I$ : la fuerza se vuelca. Invertir el sentido de $B$ : mismo efecto. Dejar que los alumnos practiquen la regla de la mano derecha en su pupitre, prediciendo dónde apuntará la flecha y luego verificándolo en el simulador.

Profundización: pestaña DC Motor. Pasar a la pestaña del motor. Mostrar la espira parada con $I = 0$ . Aumentar la corriente: la espira empieza a rotar. Explicar que las fuerzas actúan sólo sobre los dos lados horizontales de la espira (los perpendiculares al campo), y que el par generado es el producto de la fuerza por el brazo de palanca.

Cierre: el papel del colector. Hacer notar que el rotor sigue rotando en el mismo sentido incluso después de superar la posición "vertical". Sin el colector (representado conceptualmente en el esquema), la espira oscilaría en torno a la posición de equilibrio. El colector invierte la corriente en el momento adecuado, manteniendo el par coherente.

Ejemplos reales

Motores DC por todas partes. Ventiladores de ordenador, juguetes teledirigidos, elevalunas eléctricos del coche, ascensores de baja potencia, robótica educativa: el motor DC sigue siendo el caballo de batalla de mil aplicaciones.
Altavoces. Una bobina móvil recorrida por la señal de audio está inmersa en el campo de un imán permanente: la corriente variable produce una fuerza variable que hace vibrar el cono, es exactamente la ley $F = B I L$ en acción.
Micrófonos de bobina móvil. Funcionan al revés: el movimiento del cono mueve una bobina en el campo de un imán, generando una corriente proporcional al sonido.
Instrumentos de medida analógicos. Galvanómetros y amperímetros de aguja aprovechan el par sobre una espira recorrida por corriente en un campo magnético para desviar la aguja proporcionalmente a la corriente.
Trenes de levitación magnética. Aprovechan fuerzas electromagnéticas para sostener y propulsar el convoy sin contacto con los raíles.

Preguntas guía para la clase

La corriente en un conductor se duplica. ¿Qué pasa con la fuerza? ¿Y si también el campo magnético se duplica al mismo tiempo?
Un conductor está dispuesto paralelo al campo magnético. ¿Cuánto vale la fuerza que actúa sobre él? ¿Por qué?
Un motor DC sin colector: ¿qué hace la espira? ¿Por qué hace falta el colector?
En un altavoz la corriente es alterna, no continua. ¿Por qué entonces se habla de "motor lineal" y funciona igualmente?
Un conductor colgado de dos cables, recorrido por corriente, está inmerso en un campo magnético horizontal perpendicular al hilo. ¿Qué movimiento observaríais, y de qué depende su amplitud?

Módulos relacionados

Forces & Vectors: la fuerza $F = I L \times B$ es un vector: la regla de la mano derecha es el modo geométrico de construir un producto vectorial.
Electrostatics: el campo magnético es el dual del campo eléctrico: donde las cargas en reposo generan $E$ , las cargas en movimiento (corrientes) generan $B$ .