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.
