Detección de Rayos Infrarrojos con un Celular

Las ondas electromagnéticas son radiaciones de cierta amplitud y frecuencia que se presentan en muy diversos fenómenos. Ejemplos de ondas electromagnéticas son:

• La señal de radio y televisión
• los rayos X
• La señal de celular
• Los rayos infrarrojos
• El radar
• La luz visible

Como se puede deducir fácilmente, mucha de nuestra tecnología moderna depende del uso de estas radiaciones. El conjunto de todas ellas se conoce como espectro electromagnético.

Una onda se caracteriza por su longitud. El espectro electromagnético va desde las radiaciones de mayor longitud de onda (y menos energía) como las ondas de radio, hasta aquellas de menor longitud de onda (y mayor energía) como los rayos gamma.

De todo el espectro electromagnético, nuestros sentidos solo son sensibles a una pequeña región, que es la luz visible, captada por nuestros ojos. Para captar otro tipo de ondas electromagnéticas, necesitamos sensores de diversos tipos.

En esta ocasión vamos a mostrar como detectar rayos infrarrojos. Para ello necesitaremos una cámara digital o un teléfono celular. El sensor de la cámara o celular, cuando lo usamos para grabar video, está diseñado para detectar la luz visible, sin embargo, por su misma construcción, también detecta la luz infrarroja.

Los controles remotos utilizan ondas infrarrojas para su funcionamiento, y tienen un pequeño foco LED en su parte frontal. Si apretamos una tecla, el LED emite infrarrojo, que es captado por el aparato que estamos controlando, pero nuestros ojos no ven nada. Sin embargo, si vemos el LED con un celular o cámara digital en modo de video, SI VEREMOS que se se enciende el LED.

Aqui mostramos un video sobre este sencillo experimento:

Corriente y Magnetismo -- Electroimanes

La electricidad y el magnetismo son fenómenos estrechamente relacionados. 

Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, se crea un campo magnético alrededor del mismo. La intensidad del campo disminuye conforme nos alejamos del conductor.

La dirección del campo está dada por la regla de la mano derecha: 

"Si el pulgar de la mano derecha apunta en la dirección en que fluye la corriente, entonces la curvatura del los dedos nos indicará el sentido del campo magnético".

Cuando el conductor toma la forma de una espira circular, el campo magnético tiene una forma tal que las líneas de campo salen por un lado de la espira y entran por el otro, de manera similar a como sucede en un imán permanente.

Al igual que en el imán, tendremos un polo norte (N) que es el extremo por donde salen las líneas de campo, y un polo sur (S), que es el extremo por donde las líneas entran a la espira.

La intensidad del campo magnético depende de la corriente que circula por la espira, pero también depende del número de espiras. Si enrollamos el conductor en muchas espiras en lugar de una sola, la intensidad del campo se multiplica. A este arreglo de muchas espiras se le denomina bobina o solenoide

El campo magnético creado por un solenoide es similar al de un imán permanente:

A continuación mostramos un video donde se muestra un solenoide que interactúa con un imán permanente.

Fuerza de Lorentz en un Líquido

Muchos fenómenos magnéticos se explican por el siguiente hecho:

Cuando una corriente eléctrica fluye en un conductor que está inmerso en un campo magnético, el conductor experimenta una fuerza.

Esta fuerza se conoce como Fuerza de Lorentz. La dirección y sentido de estas tres cantidades se relacionan entre si, ya que son vectores:



En la ecuación anterior, F es la fuerza, q es la carga, E el campo eléctrico, v la velocidad de la corriente y B el campo magnético. En el caso mostrado no tenemos carga q ni campo eléctrico.

Es fácil recordar las direcciones utilizando una regla mnemotécnica conocida como la "regla de la mano izquierda de Fleming", y que se ilustra en la figura. Colocando la mano izquierda como se muestra, si apuntamos el dedo índice en dirección del campo magnético y el cordial o medio en dirección de la corriente, entonces el pulgar nos señalará la dirección en que se produce la  fuerza.

Vamos a mostrar un experimento en el que hacemos fluir una corriente eléctrica en un liquido, y aplicamos un campo magnético al mismo. Este campo magnético interactúa con la corriente en el líquido y se produce una fuerza en el líquido, la cual crea corrientes en el mismo. Veamos el siguiente esquema:

En un recipiente de plástico, colocamos agua con sal. El agua salada conduce la electricidad. El recipiente cuenta con dos terminales que llegan hasta el fondo, de modo que quedan inmersas en el líquido. Aplicamos al mismo un voltaje de 24 volts de corriente directa. De inmediato vemos que se empiezan a formar burbujas en las terminales, producto de la corriente eléctrica que circula por el agua salada. Si ahora colocamos un imán debajo del recipiente, entonces se produce la fuerza de Lorentz, que emerge de la interacción de la corriente I con el campo magnético B.

Si vemos el recipiente desde arriba, la corriente circula de izquierda a derecha, mientras que el campo magnético (no se muestra) viene de abajo hacia arriba (saliendo de la pantalla). Esto genera, según la regla de la mano izquierda, una fuerza en el líquido que va en el sentido mostrado. El líquido se movera de un extremo del recipiente hacia el otro, llegará a la pared y dará la vuelta, con lo que se forman dos remolinos en el recipiente.

Si cambiamos ya sea la dirección de la corriente, o la dirección del campo magnético (dando la vuelta al imán), el sentido de giro de los remolinos se invierte. En el video que se muestra a continuación se observa el efecto:

Motor Lineal o Railgun

El motor lineal conocido como "railgun", basa su funcionamiento en en siguiente hecho:

Cuando una corriente eléctrica fluye en un conductor que está inmerso en un campo magnético, el conductor experimenta una fuerza.


Esta fuerza se conoce como Fuerza de Lorenz. La dirección y sentido de estas tres cantidades se relacionan entre si, ya que son vectores:



En la ecuación anterior, F es la fuerza, q es la carga, E el campo eléctrico, v la velocidad de la corriente y B el campo magnético. En el caso mostrado no tenemos carga q ni campo eléctrico.

Es fácil recordar las direcciones utilizando una regla mnemotécnica conocida como la "regla de la mano izquierda de Fleming", y que se ilustra en la figura. Colocando la mano izquierda como se muestra, si apuntamos el dedo índice en dirección del campo magnético y el cordial o medio en dirección de la corriente, entonces el pulgar nos señalará la dirección en que se produce la  fuerza.

La construcción de nuestro motor es muy simple: sobre un par de imanes se colocan dos alambres conductores que se conectan a una batería. Por encima de estos conductores ponemos un objeto metalico redondo no magnético. Es importante que el objeto no sea magnético para que el imán no lo atraiga y evite que reuede libremente. En este caso usamos una punta de cautín, se puede usar también un pedazo de tubo de cobre.

Conectamos los dos alambres a una batería de 12 volts, a través de una resistencia de 0.5 ohms. La resistencia tiene la función de limitar la corriente ya que de otra manera, se fundirían los cables, pues lo que tenemos es prácticamente un corto circuito.

La corriente que circula por el objeto interactúa con el campo magnético del imán, y en virtud de la fuerza de Lorentz, el objeto se mueve sobre los alambres. Invirtiendo el sentido de la corriente, el objeto se moverá en la dirección contraria. Lo mismo sucede si se voltea el imán. 

A continuación mostramos un video donde se muestra la construcción y funcionamiento de un railgun muy sencillo:

Sonda de Alto Voltaje

En ocasiones es necesario medir voltajes de corriente directa de varios miles de voltios. Dado que la mayoría de los multímetros tienen un rango máximo de 1000 volts, de manera que no podemos medir directamente estos voltajes.

Vamos a mostrar como construír una sonda para medir voltajes de corriente directa de hasta unos 25,000 volts. La construcción es sencilla y nos ahorra mucho dinero, ya que una sonda comercial puede costar mucho más que el propio multímetro.

El principio de funcionamiento de la sonda es el divisor de voltaje. Un divisor de voltaje es un arreglo de resistencias cuyos valores harán que obtengamos un voltaje de salida Vs, que será una fracción del voltaje de entrada Ve. Normalmente Ve es el alto voltaje que queremos medir y Vs es un voltaje pequeño que si podemos medir con el multímetro.

Como se muestra en la figura, escogiendo las resistencias R1 y R2 adecuadamente, podríamos obtener un factor R2/(R1+R2) que nos proporcione un voltaje de salida que sea una milésima parte del voltaje de entrada que queremos medir. Si por ejemplo el voltaje de entrada es de 25,000 V, el voltaje de salida será de tan sólo 25. Por supuesto estos 25 V podremos medirlos con nuestro multímetro sin ningún problema. Así, ya sabremos que el voltaje que nos diga el multímetro habrá que multimplicarlo por  1000, por lo que una lectura de, digamos 3.75 V en el multímetro, significa que tenemos un voltaje de 3750  V.

Tenemos que considerar que todo multímetro tiene una resistencia interna que afectará los calculos de R1 y R2. Esta resistencia, que llamaremos RM, es de 10 Mega Ohm en la mayoría de los multímetros. 

A continuación mostramos los cálculos requeridos para calcular los valores de las resistencias.

R1 debe ser una resistencia muy grande, idealmente de varios Giga ohms. Estas resistencias son difíciles de conseguir. En nuestro caso utilizamos un valor para R1 de 200 Mega Ohm. Para ello, colocamos 20 resistencias de 10 Megas en serie. La resistencia R2 son dos resistencias del 100 K cada una, para un total de 200 Kilo Ohm. El diagrama de la sonda queda así:

La conexión a tierra debemos duplicarla, una de ellas se coloca a algún punto a tierra física, para proteger el multímetro. La otra terminal de tierra se coloca al negativo del alto voltaje. La punta de prueba se coloca al positivo del alto voltaje. Es conveniente encerrar todas las resistencias en un tubo plástico para un mejor manejo.

Debido al uso de resistencias de un valor relativamente pequeño, la precisión de esta sonda se reduce, los voltajes obtenidos pueden variar en un 10% aproximadamente de los reales, pero nos da una muy buena idea de los valores que manejamos. Si puedes conseguir resistencias mayores, tu sonda será más precisa. A continuación un video explicativo:

Como conectar un LED a la corriente de casa

Actualmente se ha puesto de moda la iluminación con LEDs, debido principalmente a su bajo consumo de energía. Existen varias maneras de conectar un LED, dependiendo también si utilizamos corriente directa (de baterias) o corriente alterna. En este caso, vamos a discutir como conectar un LED a la corriente de casa de 127 volts.

Los LEDs requieren voltajes pequeños, de 2 a 3 volts aproximadamente, por lo que conectarlos directamente a 127 volts no es posible. La primera opción, es utilizar una resistencia del valor adecuado para limitar la corriente a un valor que el LED pueda soportar, aproximadamente 20 miliamperios. La ley de Ohm nos ayuda a calcular el valor de la resistencia R, conociendo el voltaje V y la corriente I.

Esto funciona, pero es muy ineficiente, ya que la potencia que consume la resistencia es mucho mayor que la que consume el LED, como podemos ver en el siguiente cálculo.

Como podemos ver, la potencia que disipa la resistencia (2.54 watts) es ¡42 veces mayor! que la potencia que consume el LED (0.06) watts. Debemos de considerar otra opción si queremos un bajo consumo.

Esto se logra limitando la corriente no con una resistencia, sino con un capacitor. Un capacitor, en presencia de corriente alterna, muestra una reactancia, lo que limitará la corriente al igual que una resistencia, pero sin consumir energía. La reactancia del capacitor se calcula para que tengamos el mismo valor de resistencia que calculamos anteriormente, de forma que en el LED circule una corriente de 20 miliamperios:

Lo anterior nos dice que debemos utilizar un capacitor de 0.42 microfaradios, para lograr una corriente de 20 miliamperios en el LED. Hay que aclarar que, adicionalmente al capacitor, también debemos poner una resistencia de un valor menor. Esto es porque el capacitor inicialmente está descargado, y un capacitor descargado consumirá una corriente muy alta durante unos instantes, lo suficiente como para quemar al LED. Por esta razón, se añade una resistencia de 470 ohms, que limitará esta corriente inicial a un valor seguro para el LED.

En la figura mostramos el circuito completo. También añadimos un puente rectificador, de modo que el LED utilize corriente directa, lo que lo hace más eficiente. Como podemos ver, ahora el consumo de la resistencia es de solo 0.19 watts, y el del LED sigue siendo 0.06 watts.

El circuito anterior se puede utilizar para una lámpara nocturna por ejemplo. Yo tenía una vieja lámpara de noche descompuesta, a la cual le retiré el viejo circuito y lo reemplazé con el que se muestra acá, con excelentes resultados. Además, la lámpara originalmente consumía 1.3 watts, y nuestro circuito consume tan solo 0.25 watts, con una iluminación equivalente. 

A continuación un video explicativo:

Cañón Electromagnético o Coilgun

El cañón electromagnético se basa en un principio muy simple. Cuando a una bobina se le aplica una corriente eléctrica, se convierte en un electroimán, y es capaz de atraer objetos metálicos. La bobina se construye de manera que en su interior pueda atravesarla un proyectil, como se muestra en la figura.

Si energizamos la bobina, entonces el pruyectil se acelerará en el interior del tubo. Claro está que cuando quiera salir por el otro extremo, también se verá atraído por el magnetismo de la bobina, por lo que si queremos que el proyectil salga disparado, debemos desconectar la energía cuando el proyectil se encuentra a la mitad de la bobina.

Vamos a mostrar dos cañones diferentes. El primero de ellos, utiliza el siguiente diagrama:

Para energizar la bobina B, utilizamos el capacitor C. En realidad utilizamos un banco de capacitores en paralelo, aprovechando los que obtuvimos del circuito del flash de cámaras desechables. Son un total de 20 capacitores para un total de 2000 microfaradios a 330 volts. Como fuente de alto voltaje utilizamos el mismo circuito del flash de la cámara. La resistencia R tiene un valor de 470 K a 1 watt y su propósito es descargar el capacitor en caso de que se quede con carga (por seguridad). El diodo D tiene el propósito de evitar que el voltaje autoinducido en la bobina cargue el capacitor a la inversa y lo dañe. 

Finalmente, utilizamos un SCR como interruptor. El SCR permite el paso de la corriente cuendo se le da un pulso en la compuerta, que es para lo que nos sirve la batería de 9 volts. Y eso es prácticamente todo. La bobina tiene unas 150 vueltas de alambre calibre 24, y una longitud de 5 cm. EL proyectil es un clavo de acero.

A continuación mostramos el video del cañón:

El segundo cañón es más poderoso que el que acabamos de mostrar, a la vez que más simple, el circuito es el siguiente:

Aquí, la única direfencia es que no utilizamos un SCR, sino un interruptor "simple" S. Los capacitores son dos de 2400 microfaradios a 450 volts en paralelo, para un total de 4800 mfd a 450 volts, lo que nos da una energía almcenada de 486 Joules. Y la bobina es de alambre magneto calibre 17 con 150 vueltas y una longitud de de 6 cm. El proyectil es de acero de 3 cm de longitud y 7 mm de diámetro, lo tomé del eje de una vieja impresora.

La fuente de alto voltaje fue construída exprofeso, en este video te mostramos como se hizo:

Finalmente aquí está el video del cañon:

Imágenes Térmicas -- El Evapórografo

Una forma super simple de obtener imágenes térmicas es a través del "Evaporógrafo".

En su forma más simple, no necesitamos más que una taza oscura medio llena de agua, un pedazo de bolsa de plástico y una liga.

Tan sólo debemos colocar la membrana de plástico sobre la taza y mantenerla estirada con la liga. Dejamos que pasen unos minutos para que la taza y el agua queden a temperatuta ambiente y el evaporógrafo estará listo para mostrar imágenes de objetos fríos que entren en contacto con la membrana.

Los objetos que deseen ser reproducidos en el evaporógrafo deberan ponerse en el congelador durante un par de minutos. Cualquier objeto con relieve podrá ser utilizado.

Las imágenes se forman por la condensación del vapor de agua sobre la membrana al enfriarse por el contacto con el objeto. El relieve del objeto hace que las zonas mas cercanas a la membrana queden más frías y viceversa, lo cual produce la imágen por diferencia de densidades de condensación.

A continuación mostramos un video del evaporógrafo en funcionamiemto.

La Cadena de Newton

La cadena de Newton es un experimento que muestra un comportamiento verdaderamente inesperado y espectacular. En en siguiente video podemos observarlo.

Queremos analizar el porqué de este comportamiento. Para ello, necesitamos repasar algunos conceptos. En primer lugar, cuando tenemos un objeto de masa m moviéndose en línea recta con velocidad v, decimos que el objeto tiene un momentum p dado por p = mv.

Ahora bien, la segunda ley de Newton nos dice que, para cambiar el momentum de un objeto, es necesario aplicarle una fuerza durante cierto tiempo, es decir

Lo anterior nos dice que para producir un cambio en el momentum igual a delta p, en un tiempo delta t, se necesita una fuerza F.

Si pensamos en lo que sucede en la cadena, vemos que una porción delta x de la cadena que inicialmente se encuentra viajando con velocidad v hacia arriba en la posición 1, después de un tiempo delta t se encontrará en la posición 2 viajando hacia abajo con velocidad v.

Si la cadena tiene una masa por unidad de longitud M (o sea el número de kilogramos por metro de longitud) entonces en una distancia delta x la masa sera (M)(delta x). El cambio en momentum que experimenta entre el punto 1 y el punto 2 será

Entonces la fuerza resulta ser

Es esta fuerza la que hace subir una porción de la cadena, y se ve balanceada por el peso total de la cadena.

El Motor Homopolar

El funcionamiento de prácticamente todos los motores eléctricos está basado en el siguiente hecho:

Cuando una corriente eléctrica fluye en un conductor que está inmerso en un campo magnético, el conductor experimenta una fuerza.


Esta fuerza se conoce como Fuerza de Lorenz. La dirección y sentido de estas tres cantidades se relacionan entre si, ya que son vectores:



En la ecuación anterior, F es la fuerza, q es la carga, E el campo eléctrico, v la velocidad de la corriente y B el campo magnético. En el caso mostrado no tenemos carga q ni campo eléctrico.

Es fácil recordar las direcciones utilizando una regla mnemotécnica conocida como la "regla de la mano izquierda de Fleming", y que se ilustra en la figura. Colocando la mano izquierda como se muestra, si apuntamos el dedo índice en dirección del campo magnético y el cordial o medio en dirección de la corriente, entonces el pulgar nos señalará la dirección en que se produce la  fuerza.

El  motor homopolar se ilustra en la figura. La pila produce una corriente I en el alambre conductor. Esta corriente viaja por el mismo e interactúa con el campo magnético generado por el imán que se encuentra en la parte inferior de la pila. Con esto ya tenemos los elementos necesarios para que se produzca una fuerza: una corriente inmersa en un campo magnético.

La siguiente figura nos muestra las direcciones de las cantidades involucradas, la corriente I, el campo B y la fuerza F. En la figura, los círculos con una cruz interior indican que la fuerza tiene una dirección como saliendo de la pantalla. Los círculos con un punto interior indican que la fuerza es hacia adentro de la pantalla. Podemos utilizar la regla de la mano izquierda en la figura para darnos cuenta de la dirección de las fuerzas en cada punto del circuito.

El motor homopolar es muy útil para ilustrar conceptos básicos de electromagnetismo, sin embargo no tiene muchas aplicaciones prácticas ya que es terriblemente ineficiente.

A continuación presentamos tres videos de motores homopolares.