Inducción electromagnética: mueve un imán y enciende un LED

Sostén el imán quieto dentro de la bobina y no pasa nada. Esa frase es la razón de existir de todo este armado, porque mata la idea de que los imanes contienen electricidad esperando a que la suelten. La inducción electromagnética hecha bien fabrica electricidad a partir del movimiento y solo del movimiento, y los dos leds conectados en oposición lo delatan: uno destella cuando el imán entra y el otro cuando sale. Aviso: este es el experimento más delicado de la colección, y la diferencia entre un resultado y una decepción es casi por completo el número de vueltas de tu bobina.

Puntos clave

• Vas a enrollar unas 500 vueltas de alambre esmaltado fino en un tubo transparente y sacudir un imán dentro para hacer destellar dos leds.
• Enseña la inducción electromagnética: un campo magnético que cambia a través de una bobina impulsa corriente, y uno constante no.
• Desde los 10 años, con un adulto manejando el imán y el alambre fino.
• Lo que suele fallar: pocas vueltas. Con 200 necesitas un multímetro para ver algo; con 500 sale un destello visible a oscuras.
• La versión honesta de este resultado es tenue. Dilo antes, y ten lista la salida con multímetro.

Lo que vas a necesitar

Material	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Tubo plástico transparente	Uno de 12 a 16 mm interior y 12 a 15 cm de largo	Un tubo de vitamina efervescente, el cuerpo de una pluma transparente	Una hoja de acetato enrollada y pegada
Alambre de cobre esmaltado	40 a 60 m, calibre 30	Taller de rebobinado de motores, tienda de electrónica	Recupéralo de un transformador o un motor de paso
Imán de neodimio	Uno de 10 a 12 mm que se deslice libre en el tubo	Ferretería, Mercado Libre, o un disco duro muerto	Dos discos delgados apilados. La ferrita no sirve
Leds	2, rojos, de 5 mm	Tienda de electrónica, o de un juguete	Dos de cualquier color, pero el rojo enciende con menos voltaje
Multímetro	Uno	Ferretería	Ninguno. Es la salida cuando los leds se niegan
Lija, cinta, tapones de espuma	Un poco de cada	Caja de herramientas y baño	Los tapones u algodón tapan las puntas del tubo
Un cuarto oscuro	Uno	Cierra las cortinas	—

Tiempo: preparación 45 min, casi todo enrollando; experimento 25 min; limpieza 5 min Costo: lo que cuestan tres comidas corridas entre alambre, imán y leds Nivel de desorden: bajo

Haz el experimento: inducción electromagnética paso a paso

Paso 1 — Enrolla la bobina, y enrolla más de lo que crees

Deja 20 cm de alambre libres, enrolla apretado en una sola dirección en una franja de 3 a 4 cm en medio del tubo, capa sobre capa, contando en bloques de cincuenta. Apunta a 500 vueltas. Pega cada capa con cinta para que nada se suelte, deja otros 20 cm libres al final y lija las dos puntas hasta que queden rosadas.

Esto toma media hora y es todo el experimento. Una bobina de 200 vueltas no va a encender un led, y ninguna cantidad de sacudidas lo va a arreglar.

Paso 2 — Conecta dos leds en oposición entre las puntas de la bobina

Une las dos puntas de la bobina a los dos leds conectados en sentidos contrarios: pata larga de uno con pata corta del otro, en las dos uniones. El par queda en antiparalelo, así que en cualquier dirección que vaya la corriente, uno de los dos puede conducir.

Paso 3 — Predice tres cosas y pruébalas una por una

¿El led va a encender si el imán está quieto dentro de la bobina? ¿Si se mueve despacio? ¿Si se mueve rápido? Consigue tres respuestas separadas en voz alta, porque esos tres resultados son de lo que está hecho el mecanismo.

Paso 4 — Sostén el imán quieto dentro de la bobina

Métele hasta el medio y detente.

Lo que deberías ver: absolutamente nada, indefinidamente. Un imán fuerte quieto dentro de 500 vueltas de cobre no produce ninguna corriente, y ese es el resultado que más importa de todo este artículo.

Paso 5 — Deja caer el imán, después sacude fuerte, a oscuras

Tapa una punta con un tapón de espuma para que el imán no salga volando, apaga las luces, da treinta segundos a los ojos y sacude el tubo fuerte a lo largo de su eje.

Lo que deberías ver: destellos cortos, alternando entre los dos leds. En una caída lenta tal vez veas un parpadeo débil por led. Sacudiendo fuerte y rápido sale una alternancia entrecortada. Es tenue. Con luz de día no vas a ver nada, y por eso el cuarto oscuro está en la lista de materiales.

Paso 6 — Cambia al multímetro y consigue números

Desconecta los leds, pon el multímetro en su rango más bajo de voltios de corriente alterna y conéctalo a la bobina. Sacude despacio, después rápido.

Lo que deberías ver: decenas de milivoltios con movimiento lento, cientos sacudiendo con energía, con una diferencia clara y repetible entre los dos. Esta es la versión que siempre funciona, y para un niño al que le gustan los números es más convincente que el destello.

Qué está pasando en realidad

Michael Faraday estableció el principio en 1831 y lo publicó al año siguiente: mover un imán respecto a una espira de alambre produce corriente en el alambre, y lo que importa es la rapidez del cambio y no la intensidad del campo en sí (Faraday, 1832). El enunciado moderno dice que el voltaje inducido en una espira es igual a la rapidez de cambio del flujo magnético que la atraviesa, y en una bobina de muchas vueltas las contribuciones se suman, así que el voltaje queda multiplicado por el número de vueltas (HyperPhysics, Georgia State University).

Las dos mitades de esa frase son visibles en tu tubo. La rapidez de cambio es la razón por la que un imán quieto no hace nada: el flujo a través de la bobina es grande pero constante, así que su rapidez de cambio es cero y el voltaje también. Y es la razón por la que sacudir más fuerte funciona mejor. El número de vueltas es por qué 500 le gana a 200 por más de lo que uno supondría, porque estás multiplicando todo el efecto.

Los dos leds revelan algo más fino. Cuando el imán entra, el flujo aumenta; cuando sale, disminuye. El voltaje inducido cambia de signo, y la corriente va primero en un sentido y luego en el otro. Eso es corriente alterna, generada con una mano, con el cambio de dirección vuelto visible por dos diodos que conducen en un solo sentido cada uno. Toda central eléctrica del planeta funciona así, con rotación en vez de sacudidas, y entender que la inversión es intrínseca y no una decisión de diseño es una idea de verdad.

Hay un tercer efecto que se puede sentir. La corriente inducida crea su propio campo magnético, y ese campo siempre se opone al cambio que lo produjo. Eso es la ley de Lenz, y la consecuencia es que el imán encuentra resistencia al pasar. Con los leds conectados el efecto es minúsculo, porque bloquean la corriente por debajo de su voltaje directo. Pon las puntas de la bobina en corto y deja caer el imán: la caída sale medible más lenta. Es el mismo frenado que hace que un imán baje a gatas por un tubo de cobre.

Ahora la parte honesta del brillo. Un led rojo necesita unos 1.8 voltios antes de conducir, lo que se sigue de la energía del fotón que entrega, cerca de 1.77 electronvoltios en el extremo rojo (HyperPhysics, leds). Tu bobina alcanza eso solo durante la parte rápida del paso del imán, en ráfagas de decenas de milisegundos. Así que la luz es un parpadeo y no un brillo, y los leds azules o blancos, que piden cerca de 3 voltios, se quedan apagados. Una linterna de sacudir comercial resuelve esto con miles de vueltas, un imán más pesado y un capacitor. Saber por qué tu versión es más tenue que la de la tienda enseña más que tener la de la tienda.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años

Un imán quieto es solo un imán. Un imán que pasa junto a una bobina de alambre empuja la electricidad que hay dentro del alambre, parecido a cuando mueves la mano en la tina y el agua se mueve. Deja de mover la mano y el agua se para. Que sostengan el imán quieto en el tubo y no vean nada, y después que lo sacudan y vean los destellitos. Después déjalos intentar encenderlo sacudiendo suave, que no va a funcionar, y así descubren solos que la velocidad es lo que cuenta.

De 9 a 12 años

Presenta la palabra clave: no es el campo magnético lo que hace la corriente, es el cambio del campo magnético. Después el acertijo de los dos leds. Pregunta por qué hay dos y por qué se alternan en vez de encender juntos. La respuesta, que entrar y salir empujan la corriente en sentidos opuestos, es la definición de corriente alterna, y pueden deducirla de lo que acaban de ver.

De 13 en adelante

Dales la ley como voltaje igual a vueltas por rapidez de cambio del flujo, y después que diseñen el experimento que pone a prueba la dependencia con el número de vueltas. Enrollen una segunda bobina de 250 vueltas en un tubo idéntico y comparen los milivoltios de pico a velocidades de sacudida equiparadas: la razón debería quedar cerca de dos. La investigación con universitarios encontró que la inducción electromagnética es uno de los temas donde los estudiantes más seguido reemplazan la relación causal real por una asociación vaga (Guisasola, Almudí y Zuza, 2013), así que insistir en la frase de la rapidez de cambio en vez de “los imanes hacen electricidad” sirve de verdad.

La pregunta que debes hacer: “Si dejo el imán quieto y en cambio muevo la bobina, ¿pasa algo?”

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

La inducción es el cimiento invisible de la civilización moderna y casi nadie la puede explicar. Cada watt de una central eléctrica, cada cargador inalámbrico, cada transformador de poste, cada pastilla de guitarra y cada freno regenerativo funcionan con la relación que tu hijo acaba de sacudir dentro de un tubo. También es el reverso del efecto motor, así que una vez hechos los dos, electricidad y movimiento se vuelven dos direcciones de un mismo camino.

La ganancia concreta es el concepto de la rapidez de cambio como causa. El razonamiento causal de la mayoría de los niños es sobre estados: esto está caliente, aquello es fuerte, esto pesa. La inducción no se puede explicar así, porque un campo intenso no causa nada y uno débil que cambia sí. Encontrarse esa idea en un objeto físico a los diez o doce años hace que el cálculo diferencial, cuando llegue, parezca notación para algo ya familiar. Ninguna tarde logra eso sola, pero un niño que sostuvo un imán quieto dentro de una bobina y vio que no pasaba nada tiene un ancla que ningún diagrama da.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	10 en adelante. Enrollar es tedioso y pide paciencia, y el adulto debe esperar hacer una parte
Supervisión	El adulto maneja el imán de neodimio y el alambre fino. Los niños enrollan, cuentan y sacuden
Riesgos reales	El riesgo es el imán, no la electricidad. Los discos de neodimio se juntan con fuerza suficiente para pellizcar y astillarse, borran tarjetas bancarias, interfieren con marcapasos, y dos o más tragados se atraen a través del tejido y con frecuencia requieren cirugía, como lo establece la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de Estados Unidos. Tapa las dos puntas del tubo para que el imán no salga disparado
No hagas esto	No conectes esta bobina a nada de la red eléctrica para “probarla”, y no sustituyas un transformador de pared como atajo. El punto entero es que este circuito genera sus propios cientos de milivoltios y no tiene ninguna fuente externa. Tampoco dejes que dos imanes se acerquen a velocidad: chocan con fuerza suficiente para astillarse y mandar fragmentos hacia los ojos

Cuando no funciona

• Los leds nunca encienden, ni a oscuras. Casi siempre son pocas vueltas. Cuenta lo que de verdad enrollaste. Por debajo de unas 400 vueltas el voltaje rara vez supera el umbral de un led, y la solución es más alambre, no más esfuerzo.
• El multímetro marca milivoltios pero los leds siguen apagados. Es consistente y esperado: tu bobina produce voltaje, solo no suficiente. Agrega vueltas, usa un imán más pesado, o acepta el multímetro como salida.
• No marca absolutamente nada. Revisa las puntas. El esmalte es invisible y puntas sin lijar significan circuito abierto. Mide continuidad: 500 vueltas de calibre 30 deben marcar decenas de ohmios.
• El imán se pega dentro del tubo. Hay algo ferroso cerca, o el tubo está muy justo. Debe deslizarse libre por gravedad con la bobina desconectada.
• Un led destella y el otro nunca. Revisa el antiparalelo: las dos uniones necesitan una pata larga unida a una pata corta.

Para llevarlo más lejos

Vueltas contra voltaje: enrolla 250 vueltas en un tubo y 500 en otro, idénticos en todo lo demás. Registra los milivoltios de pico para una caída desde una altura fija, cinco intentos cada uno. La razón debería caer cerca de dos, y medir qué tan cerca llega es una prueba real de la ley de Faraday y no una ilustración.

Velocidad contra voltaje: deja caer el mismo imán por la misma bobina desde 10, 20, 30 y 40 cm, registrando el voltaje de pico. La velocidad en la bobina va como la raíz de la altura de caída, y el voltaje va con la velocidad, así que la gráfica de voltaje contra altura debe curvarse y no salir recta.

¿Y en América Latina? Inducción electromagnética con materiales de aquí

El tubo transparente tiene una solución local perfecta que casi nadie menciona: el tubo de las vitaminas efervescentes, esas pastillas grandes de vitamina C que se venden en toda farmacia de la región. El diámetro interior queda justo para un imán de neodimio de 10 a 12 mm, es transparente, es rígido y es gratis en cuanto se acaban las pastillas.

El alambre esmaltado se consigue en cualquier taller de rebobinado de motores, pidiendo “alambre magneto calibre 30”, que te venden cien gramos sin problema. El imán de neodimio sale gratis de un disco duro muerto, y cualquier taller de reparación de computadoras te regala uno. Hay además un atajo útil: en bazares se venden linternas de sacudir y de dinamo por lo que cuesta un almuerzo, y abrir una es la mejor forma de ver la versión profesional, con su bobina de miles de vueltas y su capacitor. La inducción está en Física de secundaria con la SEP en México, en los estándares del ICFES en Colombia y en la unidad de electricidad y magnetismo del Mineduc en Chile. El paso previo es el electroimán con un clavo y una pila, y después cómo funcionan los motores eléctricos cierra el círculo. Si lo frustrante fue el led, cómo funcionan los leds explica el umbral de voltaje con el que te topaste.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: usan la palabra “cambiando” sin que nadie se lo pida cuando hablan de imanes y electricidad, en vez de solo “fuerte”.
• Mes 2: deducen, o preguntan, cómo le hace un cargador inalámbrico de celular sin ningún contacto.
• Mes 3: conectan la parte alterna con por qué la electricidad de la casa se llama corriente alterna, que es un salto que vale alentar.

Preguntas frecuentes

¿Por qué no pasa nada cuando el imán está quieto?

Porque la inducción depende de la rapidez de cambio del flujo magnético, no de la cantidad de flujo. Un imán quieto produce un campo grande pero constante a través de la bobina, así que la rapidez de cambio es cero y el voltaje también. Es la observación más importante del experimento.

¿Cuántas vueltas necesito de verdad?

Alrededor de 500 para un destello visible en un tubo de 12 a 16 mm con un imán de neodimio de 10 a 12 mm, en un cuarto oscuro. Con 200 vas a medir voltaje en el multímetro pero no vas a ver luz. El voltaje escala con el número de vueltas, así que agregar alambre siempre es la solución más efectiva.

¿Por qué dos leds y no uno?

Porque el voltaje inducido se invierte cuando el imán entra y luego sale. Un led conduce en una sola dirección, así que uno solo encendería en la mitad de los pasos. Conectar dos en sentidos contrarios vuelve visible la inversión, que es el punto.

¿Puedo usar cualquier imán?

Tiene que ser de neodimio. La ferrita y los imanes de refrigerador dan un campo uno o más órdenes de magnitud más débil, y como el voltaje sigue la rapidez de cambio del campo, un imán débil da un resultado débil por mucho que sacudas.

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Sobre el autor

Ricky Flores es el fundador de HiWave Makers e ingeniero eléctrico con más de 15 años de experiencia desarrollando tecnología de consumo en Apple, Samsung y Texas Instruments. Escribe sobre cómo los niños aprenden a construir, pensar y crear en un mundo saturado de tecnología. Lee más en hiwavemakers.com.

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Fuentes

1. Faraday, M. (1832). “Experimental researches in electricity.” Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 125–162. https://doi.org/10.1098/rstl.1832.0006
2. Nave, R. “Faraday’s Law.” HyperPhysics, Georgia State University. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/farlaw.html
3. Nave, R. “Light Emitting Diodes.” HyperPhysics, Georgia State University. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/led.html
4. Guisasola, J., Almudí, J. M., & Zuza, K. (2013). “University Students’ Understanding of Electromagnetic Induction.” International Journal of Science Education, 35(16), 2692–2717. https://doi.org/10.1080/09500693.2011.624134
5. U.S. Consumer Product Safety Commission. “Magnets.” https://www.cpsc.gov/Safety-Education/Safety-Education-Centers/Magnets
6. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165