Ayuda con un electroimán casero

Question

Solo por diversión, decidí construir lo que esperaba que fuera un electromagneto relativamente potente. Utilicé este alambre de cobre (20 AWG, carrete entero de 1 libra) y este núcleo de hierro suave (0.5 de diámetro, 6 de longitud). La longitud total del alambre es aproximadamente de 322.6 ft (98.33 m) de largo y según algunos cálculos aproximados, está enrollado alrededor del núcleo unas 2000 veces. Mi objetivo nunca fue ser super preciso con este proyecto, así que por favor perdona las estimaciones aproximadas.

Desafortunadamente, el imán es extremadamente débil, principalmente porque no tengo la fuente de alimentación adecuada. Primero intenté usar 4 pilas Duracell de 9V en serie, luego probé con 3 pilas AA Duracell en serie, pero el imán apenas puede atraer una grapa de papel desde unos pocos centímetros de distancia con cualquiera de las fuentes de energía.

Según lo que he leído/visto en línea, probablemente debería estar usando una batería de "linterna" de 6V o una batería de coche de 12V, pero no estoy seguro de qué es apropiado para mi configuración. Si alguien tiene algún consejo, sería muy apreciado.

¡Gracias de antemano!

También todo el alambre está enrollado en una dirección y, por si acaso importa, las primeras capas de alambre se enrollaron muy cuidadosamente, pero obviamente me puse un poco descuidado hacia el final.

Answer 1

El alambre de calibre 20 AWG es de aproximadamente 33 mΩ/m, wikipedia así que estimaría la resistencia en alrededor de 3.3 Ω

En esa carga, tus baterías de 9 V actúan como fuentes de corriente, no como fuentes de voltaje. Obtendrás una mejor coincidencia con la resistencia del imán colocándolas todas en paralelo, no en serie. Cada batería intentaría suministrar 750 mA, lo cual no lo haría, pero no está tan desemparejado como una conexión en serie.

Lo mismo vale para las pilas AA, paralelo no serie. 1.5 V en 3 ohmios da un total de 500 mA, lo cual son 170 mA por celda. Finalmente, tienes una corriente práctica por celda.

Si pudieras encontrar una batería de coche de 12 V, entonces el imán consumiría alrededor de 4 A, con una potencia de calentamiento de 50 vatios. Una libra de alambre es aproximadamente 450 g, por lo que tiene una capacidad calorífica de aproximadamente 180 J/K, lo que da una tasa de calentamiento de alrededor de 0.3 K/s. Eso te permitiría tener uno o dos minutos de funcionamiento antes de tener que apagarlo y dejar que se enfríe. Dos baterías de coche serían aún mejores, pero con un cuarto del tiempo de funcionamiento.

En este momento, tu circuito magnético no es bueno para campos altos. Consiste en una barra de hierro y un largo camino de aire de regreso. Este largo camino de aire está limitando tu campo. En su lugar, deberías usar una configuración de 'herradura'. Desenrolla el cobre, corta la barra por la mitad y enrolla la mitad del cobre en cada pierna. Obtén otra pieza de barra cuadrada de área similar y ensamblalas en una forma de 'U'. Esta es la configuración utilizada en el clásico timbre de puerta (imagen de wikipedia, página de electromagnetismo). El camino de hierro casi cerrado mejora la fuerza del campo en órdenes de magnitud.

Como señala tobalt en los comentarios, no necesitas desenrollar tu cobre. Consigue otra barra de acero de 6" de longitud igual que la primera y colócala junto a tu barra enrollada, y luego un trozo adicional de barra cuadrada para cerrar el circuito magnético en la parte trasera. Eso será casi tan bueno como mi primera sugerencia, y mucho menos trabajo.

Answer 2

"El Hombre del Imán Genial" proporciona un excelente tutorial sobre los aspectos prácticos del diseño y bobinado de tus propios electroimanes aquí

Este es un resumen de su procedimiento:

Antes de comenzar con la construcción de un electroimán, primero necesitas averiguar lo siguiente:

1. De qué estará hecho el núcleo
2. Qué densidad de flujo magnético estás tratando de lograr
3. Cuántas vueltas serán necesarias para esto junto con
4. Cuántos amperios fluirán a través del cable
5. Qué grosor debe tener el cable para manejar la corriente
6. Cuál será el área superficial para enfriar la bobina
7. Qué tamaño tendrá el electroimán debido a lo anterior
8. Qué clasificación de voltaje deberá resistir el aislamiento del cable
9. Cuál será la inductancia del electroimán
10. Obtener el núcleo, el cable, el carrete (forma para el bobinado)
11. Bobinar la bobina
12. Probar el electroimán

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Página excelente de bobinado de inductores de la Universidad Surrey aquí

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Esta página cita el tutorial de CMM y proporciona mi comentario sobre el uso de electroimanes con una Raspberry Pi.

Answer 3

Las baterías generalmente no tienen mucha potencia. Consulta la respuesta de Neil para saber cómo conectarlas de la manera más beneficiosa.

Si deseas obtener el campo magnético más alto con la menor potencia de un electroimán, hay dos reglas importantes:

1. aumenta la permeancia del núcleo. Esto equivale principalmente a reducir el volumen del espacio de aire. Un núcleo de palo tiene un espacio de aire tremendo. Mejores geometrías son los núcleos en forma de herradura o anillo ranurado. Los núcleos enteros de anillo tienen la mejor permeancia, pero todo el campo magnético será interno, por lo que quizás no sea interesante para ti.

2. aumenta el volumen del conductor. En este momento, la bobina parece bastante delgada. No importa qué diámetro de conductor uses para esto. Eso solo influirá en la resistencia final de la bobina. Por supuesto, si tienes una fuente de energía específica en mente, será significativo igualar la resistencia al óptimo que la fuente de energía pueda suministrar.

Answer 4

Además de los buenos consejos en las otras respuestas, la geometría larga y delgada de tu bobina está trabajando en tu contra. El campo magnético es proporcional al número de vueltas por unidad de longitud, N/L. Has hecho que L sea grande, lo que hace que el campo sea más pequeño de lo que necesita ser para un N fijo y una corriente fija.

Answer 5

Como profesor de Ciencias, al menos hasta que decidí pasar a TI.

Un tubo de ensayo, un clavo de 6 pulgadas, algo así como un grueso cobre blindado, siete o más vueltas y una transferencia básica de un laboratorio de Ciencias. En Australia tenemos una fuente de alimentación de 240 V con un máximo de 10 A que claramente se transforma hacia arriba en voltaje y hacia abajo en corriente. Pasos A a E.

Envuelve el cobre alrededor del exterior del tubo de vidrio. Sujeta el clavo para que esté dentro del tubo de ensayo, quizás media pulgada o menos para los estadounidenses (2 cm para todas las naciones métricas) y enciende el transformador.

Dado el ajuste A, deberías sentir al menos una atracción en el clavo que estás sosteniendo. Aumenta el voltaje y se vuelve una atracción fuerte.

Para adultos jóvenes y niños pequeños, es una forma genial y económica de demostrar cómo funciona un electroimán.

Para algunas personas mayores, podrían buscar piezas de AUTO que aumenten el voltaje para las bujías. Naturalmente, usa guantes de aislamiento y si sientes una atracción realmente fuerte en el clavo, podría salir del tubo de vidrio, rompiendo el extremo cerrado y luego probablemente volver dentro del tubo de ensayo (¿siempre y cuando esté intacto?).

Diviértete con 'La Escalera de Jacob' si quieres. Eso está diseñado para romper los 10 kV necesarios para crear una chispa a través del aire (un poco como un rayo) y sube entre los dos alambres que están doblados de manera que los extremos superiores están más alejados de donde originalmente se inician las chispas.

O si te gusta molestar a un estudiante que te esté dando problemas, intenta cargar un condensador, del tipo cableado recto. Luego arroja el condensador y que agarren ambos extremos y reciban un buen golpe.

¡No le digas a nadie! ¡No mates al mensajero! SONRÍE

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