RUEDA DE BARLOW (BARLOW’S WHEEL)

RUEDA DE BARLOW (BARLOW’S WHEEL)

TALLER E INVESTIGACIÓN.

Un experimento histórico en casa.

Existen muchas maneras de demostrar los efectos de las fuerzas ejercidas sobre un conductor en presencia de un campo magnético (segunda ley de Laplace) pero una de las demostraciones más seductoras del fenómeno queda materializada en la Rueda de Barlow, al mismo tiempo que fue el primer motor eléctrico construido como tal, con un eje y su rotor en el año de 1.822. El llamado motor de Faraday confeccionado por él en 1.821 es más simple y no nos recuerda en nada a un motor eléctrico. No obstante, muchos consideran que el de Faraday es el primer motor eléctrico fabricado.

Este es uno de esos experimentos que podríamos de catalogar de magistrales y que deben realizarse en las aulas escolares como elemento de ayuda didáctica para la fijación de un concepto que en principio parece abstracto. Nada más estimulante que ejecutar una experiencia que demuestre lo enseñado en el aula. Este tipo de práctica posee un gran contenido conceptual, procedimental y actitudinal.

En esta entrada realizaremos una Rueda de Barlow a partir de elementos caseros y de fácil elaboración que serviría de inspiración para aquel que quiera recrear un experimento histórico a demás de revolucionario para la época en que se desarrolló.

La rueda de Barlow está constituida por un disco metálico no magnético, de cobre por excelencia y con un eje el cual está sobre dos apoyos conductores que permiten el giro del mismo, un imán de herradura y un pequeño depósito horadado en la base de madera con mercurio, el disco metálico hace contacto con el mercurio contenido en el pequeño depósito y un par de conductores, uno conectado a los apoyos del eje de la rueda y otro al mercurio del depósito como lo muestra la ilustración siguiente.

La versión original emplea una rueda y de allí su nombre, pero existen otras versiones que emplean un disco dentado.

Al conectar la rueda a una fuente de corriente directa, la misma gira en el sentido indicado por la regla de la mano Izquierda o “regla de Fleming”, demostrándose de esta manera la segunda ley de Laplace y la influencia del campo magnético sobre los conductores cuando por ellos circula una corriente eléctrica.

Para la fabricación de nuestro aparato emplearemos material de reciclaje como el disco de  sello de aluminio que traen las latas de leche en polvo para mantener el vacío del recipiente, cortándolo con cuidado de la lata obtenemos una pequeña rueda delgada que nos servirá para el experimento. Un clip de acero de los grandes servirá para hacer el eje de la rueda y para los apoyos utilizaremos alambre de cobre desnudo de 1,2 mm de diámetro. Cualquier recipiente de plástico delgado que tengamos a mano servirá de depósito para el “mercurio”, en mi caso utilicé la tapa de un estuche para bolígrafos de 170 mm de largo, 37 mm de ancho y 15 mm de profundidad. El imán de herradura lo sustituí por un par de imanes de niobio con diámetro de 12,7 mm por 3,2 mm de ancho colocados en un tornillo en “U” de 6 mm de diámetro. Como soporte del conjunto una pequeña tabla de conglomerado madera de 120 x 190 x 9 mm.

La fotografía siguiente nos muestra los materiales.

El clip lo desplegamos y le cortamos los extremos para obtener un pequeño eje como lo muestra la fotografía siguiente.

Conseguimos el centro de nuestro disco y le practicamos una pequeña perforación para pasar a través de él el ejecito de acero.

Fijamos el eje en el disco, utilicé un poco de estaño para garantizar la continuidad eléctrica entre el disco y el eje. Este punto es fundamental para el funcionamiento de la Rueda de Barlow.

Es importante verificar que el disco está bien centrado con el eje, de no ser así, nuestro disco estará desbalanceado estáticamente y tendera a mantenerse en una posición, si el desbalanceo es grande, el dispositivo no funcionará.

Se cortan dos pequeños trozos de alambre esmaltado y se les retira la capa de esmalte, la  cual se puede remover calentándolo en una llama o con papel de lija, remover la cubierta aislante hasta que el cobre quede desnudo o al descubierto.

Con el alambre de cobre y con la ayuda de una pinza de puntas finas hacemos los apoyos para la rueda, lo suficientemente largos para que el disco no roce con la base del mismo.

Estos apoyos se hacen de cobre para minimizar el roce que se produce entre el eje del disco de acero (clip) y los apoyos, si los apoyos se hacen de acero, la magnetización que sufre el eje de la rueda y los apoyos debido al campo magnético de los imanes aumenta considerablemente la fricción entre ambas piezas, que se traduce como un valor de momento resistente relativamente alto que podrían impedir el giro de la rueda de Barlow.

Los soportes se atornillan a la tablita previendo el espacio entre ellos para contener el recipiente de “mercurio” y a uno de los extremos se le coloca un cable.

Este es el momento para verificar el balanceo de la rueda. Al colocarla en sus apoyos como lo muestra la fotografía siguiente notaremos si el desbalance es grande, ya que el disco girará buscando una posición de equilibrio, la cual se consigue cuando el sector de mayor masa queda hacia abajo.

Para balancear el disco recortamos con mucho cuidado el borde inferior del mismo, el corte debe eliminar una delgada viruta para retirar sólo un poquito de masa. Se verifica nuevamente el balanceo colocando el disco en los apoyos. Corregir si es necesario. Evidentemente no obtendremos un balance del disco perfecto ya que las pequeñas dobladuras del eje nos producen también parte del desbalanceo observado, lo importante es llevarlo al mínimo y tendremos una idea del grado de desbalance si el giro de la rueda se realiza lentamente. Un giro rápido (buscando el equilibrio) indica un desbalance grande. Este punto también influye mucho sobre el éxito del experimento.

Como la rueda que se empleará es de aluminio no podemos utilizar el mercurio (también es difícil de conseguir) ya que al hacer contacto ambos metales se genera una reacción que corroe fuertemente al aluminio dañando rápidamente al disco, por otro lado, tratándose de niños y jóvenes lo mejor es evitarlo por seguridad y en su lugar emplear un electrolito a base de agua y sal común de cocina. Aunque la salmuera preparada no es tan buen conductor de electricidad como el mercurio y posee el inconveniente de la electrólisis que se produce por el paso de la corriente, sirve para nuestro propósito siempre que utilicemos una buena fuente de corriente directa.

Al electrodo que va dentro de la salmuera le colocamos un tubito de cobre o una arandela para aumentar el área de paso de la corriente, utilicé un pequeño tubo capilar de cobre.

La fotografía nos muestra el recipiente de salmuera entre los soportes para la rueda con su electrodo.

Con la intención de comprobar la regla de la mano izquierda debemos identificar los polos de los imanes. El video muestra una manera de conseguirlo.

Recordemos que por convención, la cara del imán que mira al Polo Norte terrestre es el polo Norte del imán.

Identificamos los polos como lo muestra la foto.

Colocamos los imanes en el tornillo “U” para disponer de nuestro “imán de herradura”. No es obligatorio hacer el imán en herradura, basta con que los imanes estén enfrentados y separados de manera que el disco pase entre ellos. Es importante, que los imanes queden en la línea vertical entre el eje de la rueda y la salmuera, de manera que el campo quede perpendicular al paso de la corriente por el disco.

La imagen siguiente nos muestra el ensamblaje final de la Rueda de Barlow, lista para utilizar.

Como fuente de corriente continua utilice un pequeño transformador adaptador con salida de 12 voltios y 500 mA, cuya polaridad la identifiqué en el soporte del aparato junto con los polos del imán.

Se llena el recipiente con la preparación de agua con sal y conectamos la fuente de corriente. El disco de aluminio tiene que hacer contacto con la salmuera y esto se consigue con el recipiente de salmuera, subiéndolo si es necesario hasta que el borde de la rueda quede parcialmente sumergido en el electrolito pero sin que choque con el electrodo o el fondo del recipiente. Con esto se consigue el paso de la corriente eléctrica desde los apoyos a la salmuera. Mientras más cerca esté el electrodo de la salmuera al disco de aluminio mejor será el paso de electricidad, lo que mejora el rendimiento del dispositivo ya que la resistencia eléctrica se hace menor. El disco debe tener libertad de giro, sin ningún tipo de roce.

La foto nos muestra el aspecto del equipo en funcionamiento, nótese que el disco hace contacto con el electrolito.

Mejor que una foto, el video siguiente nos muestra la Rueda de Barlow en pleno funcionamiento.

El color que tiene la salmuera es producto de la electrólisis que se produce, dejaremos este punto para que lo explique algún químico familiarizado con la electrólisis de las salmueras.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

Lo que estamos viendo con nuestro experimento es el efecto de las fuerzas sobre un conductor cuando por el circula una corriente eléctrica en presencia de un campo magnético, es la materialización  de la segunda ley de Laplace y de la regla de la mano izquierda de Fleming la cual se puede resumir así: “Se colocan los dedos pulgar, medio e índice de la mano izquierda perpendiculares entre sí; el índice en dirección y sentido de las líneas de fuerzas del campo magnético, el dedo medio en el sentido de la corriente y el dedo pulgar indicará el sentido de la fuerza”. Ver imagen siguiente.

Si aplicamos esta regla nemotécnica al video de la Rueda de Barlow girando y tomando en consideración que el polo positivo de la fuente eléctrica está conectado al electrolito (salmuera), el dedo del corazón se colocaría apuntando hacia arriba ya que la intensidad “I” va de la salmuera (+) al eje de la rueda que es el negativo de la fuente. El campo magnético va del polo norte al polo sur, estando el polo norte marcado en la base del aparato, el dedo índice apunta al polo sur, con esta posición de la mano izquierda, el dedo pulgar nos queda apuntando a la izquierda indicándonos que el vector fuerza está en esa dirección y con ese sentido, esta fuerza genera un momento de giro sobre la rueda haciéndola girar a la derecha que es el sentido del giro que se observa en el video.

Es oportuno e interesante acotar que la famosa dínamo de Faraday no es más que la Rueda de Barlow a la inversa, a raíz de sus experimentos, Faraday descubrió el fenómeno de la inducción demostrando que este proceso es reversible, de manera que al hacer girar la Rueda de Barlow entre los imanes, se crea un diferencial de tensión entre los electrodos del aparato.

En la WEB existe una gran cantidad de videos mostrando el funcionamiento de un pequeño motor homopolar compuesto por un imán circular de Niobidio un tornillo tirafondo y una pila eléctrica de 1,5 V. Colocando el imán en la cabeza del tornillo y colocando la punta del mismo en uno de los polos de la pila, el tornillo se mantiene adherido al metal de la pila por el campo magnético, si con un cable se conecta el otro polo de la pila con el borde del imán, el tornillo empieza a girar alcanzando altas velocidades de rotación.

Este pequeño motor homopolar no es más que una sofisticación de la Rueda de Barlow, el giro del tornillo queda definido por la corriente a través del imán circular y del campo magnético del mismo.

Como nota final en la fabricación de la Rueda de Barlow la soldadura del disco de aluminio al eje de acero con estaño es extremadamente difícil y cuando aparentemente se logra esta soldadura es débil, de manera que cualquier movimiento o desplazamiento por más leve que sea entre el eje y el disco estos se desprenden. Ya había comentado que es de importancia crucial la conductibilidad de la electricidad entre la rueda de aluminio y su eje de acero. Una salida sencilla y práctica al problema consiste en colocar dos pedacitos de papel de aluminio que aprisionen al disco por ambos lados y lo fijen al eje. La fotografía siguiente muestra esta alternativa de unión.

La fotografía siguiente nos muestra la Rueda de Barlow con el electrolito antes de funcionar con el nuevo sistema de fijación, el cual es más seguro de hacer y no se requiere de ningún equipo adicional para unir el eje del disco al disco de aluminio.

El video nos muestra la Rueda de Barlow en funcionamiento con el disco fijado al eje con los trocitos de papel de aluminio.

En esta oportunidad, el disco está conectado a la polaridad positiva (+) de la fuente y la salmuera en la negativa. Aplicando la regla de la mano izquierda verificamos que el sentido de giro de la rueda es la indicada por la regla de Fleming y contrario al del video anterior. En este video puede apreciarse el burbujeo de la electrólisis de la salmuera en el disco de aluminio.

Es posible que debido al mal contacto que se presenta entre ele eje de acero y los apoyos de cobre junto con la resistencia eléctrica que presenta la salmuera de la electrólisis, tengamos que darle un pequeño toque bien sea lateralmente al eje del disco como tratar de hacerlo girar para que el mismo entre en funcionamiento. Si la salmuera está saturada, el contacto entre las partes eléctricas es bueno y la fuente entrega la intensidad necesaria, el disco de Barlow girará sin ayuda alguna.

Con esta entrada conmemoramos al matemático y físico inglés Peter Barlow (1776-1862) quien durante sus investigaciones sobre el magnetismo y electricidad ideó el dispositivo que actualmente lleva su nombre. Barlow a demás de incursionar en la electricidad y el magnetismo lo hizo también en la óptica creando el lente de Barlow que mejoró las imágenes de los telescopios.

Espero que este artículo sirva de inspiración para aquellos alumnos y profesores que no solamente se quedan en el campo teórico sino que van más allá, buscando una vivencia para sentir y comprender mejor aún los fundamentos teóricos y tecnológicos que han permitido el desarrollo fantástico de la tecnología tal como la conocemos.