Motor homopolar casero: el motor más simple de armar

No hay bobina. No hay carbones, no hay colector, no hay imanes pegados a un rotor. Un motor homopolar casero usa tres objetos, se arma en unos cuatro minutos y empieza a girar en el instante en que el alambre hace contacto. Esa inmediatez es el atractivo, y también la advertencia: lo que acabas de armar es un cortocircuito deliberado sobre una pila, con corriente de varios amperios, y se calienta. Déjalo diez segundos, levanta el alambre, deja enfriar. Hecho así es la mejor demostración del efecto motor que puedes montar en una cocina.

Puntos clave

• Vas a equilibrar un alambre de cobre doblado sobre una pila AA con un imán en la base, y verlo girar.
• Enseña el efecto motor: una corriente que cruza un campo magnético siente una fuerza perpendicular a los dos.
• Desde los 10 años, con un adulto presente durante toda la corrida.
• Lo que suele fallar: el alambre está mal equilibrado o pesa de más, así que se cae o no gira.
• Esto pone la pila en corto. La pila, el alambre y el imán se calientan. Segundos, no minutos.

Lo que vas a necesitar

Material	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Pila alcalina AA	1 o 2, nuevas	Supermercado, tienda de la esquina	Una AAA alcalina nueva. Nunca de litio ni recargable
Imán de neodimio de disco	Uno, de 12 a 20 mm y 3 a 5 mm de grueso	Ferretería, Mercado Libre, o de un disco duro muerto	Dos delgados apilados. Los imanes de refrigerador no sirven
Alambre de cobre desnudo	30 cm, de 0.8 a 1.2 mm	Ferretería: pela cable eléctrico rígido calibre 16	Alambre de bisutería sin barniz del mismo grosor
Pinzas pequeñas	Un par	Caja de herramientas	—
Lija	Un pedazo	Caja de herramientas	Una lima de uñas, para limpiar las puntas
Guante de cocina o pinzas de cocina	Uno	Cocina	Hace falta para levantar el conjunto caliente
Cronómetro	Uno	Celular	—

Tiempo: preparación 10 min, experimento 20 min, limpieza 2 min Costo: lo que cuestan dos refrescos y el imán, que es lo más caro Nivel de desorden: bajo, pero ponlo sobre una superficie que resista calor

Haz el experimento: arma el motor homopolar casero

Paso 1 — Pega el imán al extremo plano de la pila

El extremo plano es el polo negativo. El imán debe quedar centrado y al ras. Pon el conjunto con el imán hacia abajo sobre una loseta, una tabla de madera o una bandeja metálica, no sobre una cubierta que te importe, porque va a calentarse.

Paso 2 — Dobla el alambre en un lazo equilibrado

Dobla los 30 cm de cobre desnudo en una forma con un hoyuelo arriba que se asiente sobre el borne positivo de la pila, dos brazos que bajen por los costados, y las dos puntas dobladas hacia dentro para que apenas roce el borde del imán. Lija las puntas y el hoyuelo hasta que brillen.

La forma importa más que cualquier otra cosa. Busca simetría, mantén el alambre ligero y baja el centro de masa todo lo que puedas sin que los brazos aprieten la pila.

Paso 3 — Pide la predicción

¿Hacia qué lado va a girar, y qué pasa si volteamos el imán? Consigue una respuesta antes de que el alambre toque. Casi nadie tiene intuición para esto, lo que lo vuelve una predicción honesta y no una pregunta de memoria.

Paso 4 — Pon el alambre sobre el borne y arranca el cronómetro

Equilibra el hoyuelo en el borne positivo para que las puntas toquen apenas el borde del imán. Arranca un cronómetro de diez segundos en el momento del contacto.

Lo que deberías ver: la rotación arranca casi de inmediato y sube hasta un giro rápido con algo de bamboleo, normalmente unos cientos de revoluciones por minuto. Si las puntas raspan, el giro sale a saltos. Si está bien equilibrado, se ve casi sin fricción.

Paso 5 — Levanta el alambre a los diez segundos y toca las piezas

Usa las pinzas de cocina o el guante. Toca el costado de la pila un instante con el dorso de un dedo.

Lo que deberías ver: la pila está claramente tibia a los diez segundos y caliente a los treinta. Las puntas del alambre están tibias donde hacen contacto. Esta es la parte que casi todas las guías omiten, y es la razón de la regla de los diez segundos.

Paso 6 — Invierte el imán, luego la pila, luego los dos

Deja enfriar un minuto entre corridas. Voltea el imán para que la otra cara quede contra la pila y corre otra vez. Después regresa el imán como estaba y pon la pila al revés. Por último, invierte los dos a la vez.

Lo que deberías ver: voltear el imán invierte el giro. Voltear la pila invierte el giro. Voltear los dos deja el giro igual. Ese último resultado es el que vale la pena, porque descarta todas las explicaciones menos la correcta.

Qué está pasando en realidad

Un alambre con corriente dentro de un campo magnético siente una fuerza. El tamaño es el campo por la corriente por el largo de alambre dentro del campo por el seno del ángulo entre corriente y campo. La dirección es perpendicular a los dos (HyperPhysics, Georgia State University). Eso es todo lo que es un motor, y este no tiene nada más.

Sigue el circuito. La corriente sale del borne positivo, pasa por el hoyuelo al alambre, baja por los brazos y cruza al imán donde las puntas tocan su borde. El imán es conductor, así que la corriente lo atraviesa y entra al polo negativo. El paso clave está en el borde del imán: ahí la corriente va más o menos radial, hacia el eje, mientras el campo del imán en esa zona va más o menos axial, a lo largo de la pila. Corriente radial cruzada con campo axial da fuerza tangencial, así que cada brazo recibe un empujón de lado alrededor del eje, los dos en el mismo sentido, y la cosa gira.

Nada tiene que conmutar. En un motor de corriente directa normal, un colector invierte la corriente de la bobina dos veces por vuelta, porque si no el torque también se invertiría. Aquí la geometría mantiene la corriente radial y el campo axial sin importar dónde haya girado el alambre, así que la fuerza se queda tangencial en el mismo sentido para siempre. Eso quiere decir homopolar: la polaridad que experimenta el conductor nunca cambia. David Kagan publicó una versión vertical muy limpia de este arreglo en The Physics Teacher (Kagan, 2005).

Los volteos del paso 6 son la prueba. La fuerza depende del producto entre dirección de corriente y dirección de campo, así que invertir una la voltea e invertir las dos la deja igual. Cualquier explicación basada en que el imán “atrae” el alambre falla de inmediato, porque la atracción no se invierte cuando giras una pila.

Una complicación honesta: el costo energético es terrible. El alambre y el imán juntos tienen unas centésimas de ohmio, así que esto es casi un corto directo sobre 1.5 voltios, y una AA alcalina empuja del orden de 3 a 5 amperios. Prácticamente todo se vuelve calor y no movimiento, y por eso la pila se calienta tan rápido. El motor homopolar es una demostración hermosa y una máquina malísima, y decir las dos cosas es más interesante que decir solo la primera. Que la misma configuración se use en investigación sobre efectos relativistas de rotación es una buena nota al pie para un adolescente (Guala-Valverde, Mazzoni y Achilles, 2002).

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años

Esta no es una construcción para un niño de cinco años: las piezas se calientan, el imán es riesgo de atragantamiento y el mecanismo queda muy por encima de la edad. Un hermano menor puede mirar desde el otro lado de la mesa, y lo único que vale decirle es esto: el alambre no está siendo jalado hacia el imán ni empujado lejos de él, está siendo empujado de lado, y por eso da vueltas en vez de quedarse pegado.

Después dale su propia actividad en vez de una silla de espectador. Las limaduras de hierro que revelan el campo magnético son el paso previo correcto para esto, son seguras a esa edad en la versión sellada, y así la tarde tiene algo para los dos.

De 9 a 12 años

La electricidad que pasa por un alambre genera su propio magnetismo alrededor. Pon ese alambre junto a un imán fuerte y los dos magnetismos se empujan, pero no en la dirección que esperarías: el empujón es de lado respecto a los dos, y por eso el alambre da vueltas en círculo en vez de irse hacia el imán o alejarse. Que hagan las tres pruebas de volteo y anoten la dirección de giro en las cuatro combinaciones. El patrón de esa tabla es la física.

De 13 en adelante

Dales la ley de fuerza completa y pídeles identificar la dirección de la corriente y la del campo en el punto de contacto, y predecir la dirección del torque con la mano derecha. Después hagan la cuenta de energía, que es el ejercicio más valioso. Midan el tiempo hasta notar calentamiento, estimen la corriente a partir de la resistencia interna conocida de la pila, y comparen la potencia eléctrica que entra con cualquier estimación razonable de la potencia mecánica que sale. La eficiencia es casi nada, y entender por qué obliga a saber dónde vive la resistencia en este circuito.

La pregunta que debes hacer: “Si usamos dos imanes apilados en vez de uno, ¿qué cambia: la velocidad, la dirección, el calor, o las tres cosas?”

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

El efecto motor es la única idea detrás de todos los motores eléctricos del planeta, desde el vibrador de un celular hasta un tren. Un niño que ha sentido a un alambre empujarse de lado tiene un referente físico para eso, y eso importa porque la matemática del producto cruz llega después y aterriza mal en quien no tiene una imagen donde pegarla.

Hay un segundo beneficio y tiene que ver con honestidad en ingeniería: este motor funciona y además es inútil, porque casi toda su entrada se vuelve calor. Notar la brecha entre “funciona” y “es bueno” es un hábito que de verdad se transfiere. También vale decir que este no es un experimento para entregar y alejarse: las revisiones sobre instrucción con poca guía argumentan de forma consistente que dejar a los novatos descubrir solos rinde menos que la guía directa, sobre todo donde importan la seguridad y el procedimiento (Kirschner, Sweller y Clark, 2006). Aquí el adulto en la mesa no es solo pedagogía: es porque la pila se calienta.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	10 en adelante, con un adulto presente en cada corrida. Antes de los 10, solo mirar
Supervisión	Continua. El adulto lleva el cronómetro, levanta el conjunto caliente y es dueño del imán
Riesgos reales	Calor: pila, puntas e imán se calientan en segundos, y una pila corriendo minutos puede quemar y, en el peor caso, ventearse. Imanes: los discos de neodimio se juntan con fuerza suficiente para pellizcar dedos y astillarse. Ingestión: dos o más imanes tragados se atraen a través del tejido y con frecuencia requieren cirugía, como lo dice la Comisión de Seguridad de Productos de Consumo de Estados Unidos. Ténlos contados y lejos de menores de 6 años
No hagas esto	Nunca uses pila de litio, ion litio ni recargable de NiMH: entregan corrientes de corto mucho más altas y pueden ventearse o incendiarse. Usa una AA alcalina común. Y nunca alimentes esto ni ningún circuito casero desde un contacto de pared o un adaptador: este experimento funciona solo con pilas, a 1.5 voltios

Cuando no funciona

• El alambre se cae de inmediato. El centro de masa está muy alto o el hoyuelo es muy plano. Haz un hoyuelo más cerrado que abrace el borne y acorta los brazos.
• Se queda ahí sin hacer nada. Revisa el contacto en las dos puntas. El cobre se oxida, y una película opaca basta para bloquear varios amperios. Lija el hoyuelo y las puntas hasta que queden rosadas.
• Se sacude pero no sigue girando. Los brazos aprietan la pila o raspan la cara del imán. Las puntas deben apenas rozar el borde: ábrelas un poco y vuelve a intentar.
• Funcionó y ahora la pila está muerta. Esperado. Esto es un cortocircuito y unos minutos acumulados agotan una AA alcalina. Calcula dos pilas por sesión.
• Un imán de refrigerador no hace nada. El problema es la intensidad de campo, no tu técnica. La ferrita cerámica es cerca de un orden de magnitud más débil que el neodimio, y la fuerza escala directo con el campo.

Para llevarlo más lejos

Cuenta las revoluciones: graba una corrida a alta velocidad de cuadros con un punto de marcador en un brazo y cuenta cuadros por vuelta para obtener la velocidad. Repite con uno, dos y tres imanes apilados, y grafica velocidad contra número de imanes. La relación no va a ser una recta limpia, y discutir por qué es mejor física que una gráfica ordenada.

Cambia el alambre: arma tres lazos iguales con cobre delgado, mediano y grueso. Más grueso significa menos resistencia y más corriente, o sea más fuerza, pero también más masa que acelerar. Cronometra cuánto tarda cada uno en alcanzar su velocidad máxima.

¿Y en América Latina? Dónde conseguir todo para un motor homopolar casero

El imán de neodimio es la única pieza con truco, y hay dos rutas. La primera es comprarlo: en Mercado Libre se venden paquetes de discos de 12 a 20 mm en México, Colombia, Chile, Perú y Argentina por lo que cuesta una comida, y también aparecen en ferreterías grandes y tiendas de bisutería. La segunda es gratis: cualquier disco duro muerto trae dos imanes de neodimio potentísimos en el brazo lector, y los talleres de reparación de la esquina suelen regalar discos muertos si los pides. Ojo: vienen pegados a una placa de acero y hay que separarlos con cuidado, porque pellizcan los dedos de verdad.

El alambre de cobre desnudo sale de pelar cable rígido calibre 16, que cualquier ferretería vende por metro. Un detalle de clima que importa: en la costa de Colombia o el norte de México, donde la temperatura ambiente ya es alta, la pila llega al punto incómodo más rápido, así que baja la regla a corridas de seis o siete segundos. El electromagnetismo está en Física de secundaria con la SEP, en los estándares que evalúa el ICFES y en la unidad de fuerza y movimiento del Mineduc. El paso siguiente natural es cómo funcionan los motores eléctricos, que explica por qué un motor con bobina sí necesita carbones, y el electroimán con un clavo y una pila es el complemento obvio.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: predicen bien la dirección antes de una corrida, usando la regla de los volteos y no adivinando.
• Mes 2: aparece la frase “en ángulo recto” cuando hablan de imanes, que es la parte difícil de la idea.
• Mes 3: notan que algo que funciona puede ser derrochador, en un contexto que no tiene nada que ver. Esa transferencia es más rara y más valiosa que el motor.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se calienta tanto la pila?

Porque el motor es un cortocircuito. El alambre y el imán juntos dan unas centésimas de ohmio, así que una AA alcalina empuja varios amperios y casi toda esa energía se vuelve calor. Corridas de diez segundos con pausas de enfriamiento mantienen la pila en rango seguro.

¿Puedo usar una pila recargable para ahorrar?

No. Las recargables de NiMH y las de ion litio entregan corrientes de cortocircuito mucho más altas, lo que significa más calor, más rápido, con riesgo real de venteo o incendio. Una AA alcalina común es la elección correcta y la segura.

¿Es seguro tener imanes de neodimio en casa?

Son seguros con reglas. Ténlos contados y guardados en alto, nunca dos cerca de un niño pequeño, y lejos de celulares, tarjetas, marcapasos y discos duros. Dos o más imanes tragados se atraen a través de la pared intestinal y son una emergencia quirúrgica, y las consultas pediátricas de urgencia por ingestión de imanes subieron marcadamente cuando los imanes pequeños y potentes se volvieron comunes (Abbas y colegas, 2013).

¿Por qué no necesita carbones como un motor de verdad?

Porque la geometría nunca necesita invertir la corriente. En este arreglo la corriente se queda radial y el campo axial sin importar la rotación, así que la fuerza se queda tangencial en el mismo sentido. Un motor de bobina tiene que invertir su corriente dos veces por vuelta, y para eso existen el colector y los carbones.

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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. Kagan, D. (2005). “Upright Homopolar Motor.” The Physics Teacher, 43(2), 68. https://doi.org/10.1119/1.1855734
2. Guala-Valverde, J., Mazzoni, P., & Achilles, R. (2002). “The homopolar motor: A true relativistic engine.” American Journal of Physics, 70(10), 1052–1055. https://doi.org/10.1119/1.1498857
3. Nave, R. “Magnetic Force.” HyperPhysics, Georgia State University. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magfor.html
4. U.S. Consumer Product Safety Commission. “Magnets.” https://www.cpsc.gov/Safety-Education/Safety-Education-Centers/Magnets
5. Abbas, M. I., Oliva-Hemker, M., Choi, J., Lustik, M., Gilger, M. A., & Noel, R. A. (2013). “Magnet Ingestions in Children Presenting to US Emergency Departments, 2002–2011.” Journal of Pediatric Gastroenterology and Nutrition, 57(1), 18–22. https://doi.org/10.1097/MPG.0b013e3182952ee5
6. Kirschner, P. A., Sweller, J., & Clark, R. E. (2006). “Why Minimal Guidance During Instruction Does Not Work.” Educational Psychologist, 41(2), 75–86. https://doi.org/10.1207/s15326985ep4102_1