CONCEPTOS BÁSICOS

CAMPO MAGNÉTICO: El campo magnético es una región de espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q,   que   se   desplaza   a   una velocidad  ,   sufre   los   efectos   de   una fuerza que   es  perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.

donde F es   la   fuerza, v es   la   velocidad   y B el   campo   magnético,   también   llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético. 

LEY DE FARADAY: La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa

Flujo y fem producidos por las dos cargas magnéticas

Consideremos  ahora  que z es   la  distancia  entre  el  centro  del   imán y  el  centro  de   las N espiras apretadas. La distancia ente la carga positiva y el centro de las espira es x=z-L/2, y la distancia entre la carga magnética negativa y el centro de las espiras es x=z+L/2.

El flujo del campo magnético a través de las N espiras producido por la carga magnética positiva situada a la distancia x=z-L/2 del centro de las espiras es

Donde sgn es la función signo, positiva cuando x=z-L/2>0, y negativa cuando z-L/2<0. Por tanto,

El flujo es negativo cuando z-L/2>0 El flujo es positivo cuando z-L/2<0

El flujo del campo magnético a través de las N espiras, producido por la carga magnética negativa situada a la distancia x=z+L/2 del centro de las espiras es de signo contrario al producido por la carga positiva

El flujo es positivo cuando x= z+L/2>0 El flujo es negativo cuando x=z+L/2<0

El flujo total es la suma de las dos contribuciones

La fem inducida es la diferencia entre la fem producida en las espiras por el movimiento de la carga positiva y la producida por el movimiento de la carga negativa, tal como puede apreciarse en la figura

EFECTO HALL:

Cuando por un material conductor o semiconductor, circula una corriente eléctrica, y estando este mismo material  en el   seno de un campo magnético,   se comprueba que aparece una  fuerza  magnética en  los portadores de carga que los reagrupa dentro del material,  esto es, los portadores de carga se desvían y agrupan   a   un   lado   del   material   conductor   o   semiconductor,   apareciendo   así   un   campo   eléctrico perpendicular al campo magnético y al propio campo eléctrico generado por la batería (Fm). Este campo eléctrico es  el  denominado campo Hall   (EH),  y   ligado a él  aparece  la  tensión Hall,  que se puede medir mediante el voltímetro de la figura.

En el caso de la figura, tenemos una barra de un material desconocido y queremos saber cuales son sus portadores de carga. Para ello, mediante una batería hacemos circular por la barra una corriente eléctrica. Una vez hecho esto, introducimos la barra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular a la tableta.

Aparecerá entonces una fuerza magnética sobre los portadores de carga, que tenderá a agruparlos a un lado de la barra, apareciendo de este modo una tensión Hall y un campo eléctrico Hall entre ambos lados de la barra. Dependiendo de si la lectura del voltímetro es positiva o negativa, y conociendo el sentido del campo magnético y del campo eléctrico originado por la batería, podemos deducir si los portadores de carga de la barra de material desconocido son las cargas positivas o las negativas.

En la figura de al lado vemos como el material tiene dos zonas: la de la izquierda y la de la derecha. En una zona, los portadores son huecos y en la otra electrones.

MAGNETÓMETRO:

Un magnetómetro de saturación consiste en un pequeño núcleo magnético susceptibles envuelto por dos bobinas de alambre. Una fuente de corriente eléctrica pasa a través de una bobina, el núcleo de conducción a través de un ciclo de alternancia de saturación magnética,  es decir,  magnetizado, unmagnetised,  a  la inversa  magnetizado,  unmagnetised,  magnetizado,  etc   Este   campo  cambia   constantemente   induce  una corriente eléctrica en la segunda bobina, y esta corriente de salida es medida por un detector. En un fondo neutro magnético, las corrientes de entrada y salida partido. Sin embargo, cuando el núcleo está expuesto a un campo de fondo, será más fácil saturadas en la alineación de ese campo y menos satura fácilmente en oposición a ella. Por lo tanto el campo magnético alterno, y la salida de corriente inducida, estará fuera de paso con la corriente de entrada. La medida en que éste es el caso dependerá de la intensidad del campo magnético de fondo. A menudo, la corriente en la bobina de salida está integrado, dando una tensión de salida analógica, proporcional al campo magnético.

TIPOS DE SENSORES:

SQUID:

 Los magnetómetros de   tipo   SQUID son  una  ingeniosa  combinación  de  uniones superconductoras que permiten detectar campos magnéticos tan minúsculos que pueden llagar a ser hasta de una cuanta de flujo magnético. Éstos magnetómetros constan de  un sensor SQUID para la medición de momentos magnéticos bajo diferentes condiciones experimentales (temperatura, frecuencia, etc) y en base a los cuales se deducen tanto M como c.

El  dispositivo SQUID presenta un anillo superconductor  cerrado, con una o dos uniones Josephson y a lo largo de cuyo recorrido circula una corriente eléctrica.  La unión Josephson se trata de un sistema que funciona en vigor al efecto túnel propuesto en 1962 por B.D. Josephson , el cual es sensible a cambios de estado en el transcurso de unos pocos picosegundos y por lo cual es apto para la observación directa de efectos electrodinámicos cuánticos. En su caso esta unión sirve como patrón primario de calibración de un voltaje,   cuyo   origen   se   hallaría   en   la   cuantización   del   flujo   magnético   en   el   interior   del   anillo superconductor. Éste cuanto, a su vez recibe el nombre de fluxón y su valor es de 2.07 x 10-7 Gcm-2. En consecuencia,  es posible evaluar variaciones de campo magnético tan pequeñas como de 10-15 T  sobre valores absolutos de campo magnético de hasta 7 T.  

El sistema SQUID MPMS presenta un conjunto de anillos detectores SQUID enlazados con un sensor SQUID por medio de una serie de conexiones superconductoras, entre las que se halla un transformador para la reducción del ruido y una bobina de entrada de señal para que  la corriente procedente de  los anillos detectores se acople inductivamente al sensor SQUID (Figura 2). A continuación se encuentra una bobina que registra la señal de radiofrecuencia de salida del sensor SQUID y la transmite a un amplificador de frecuencias VHF para reconvertir esta señal en un voltaje analógico ajustado de manera estrictamente proporcional a la intensidad de corriente circulante en la bobina de entrada del SQUID.

La muestra se mide habitualmente ejerciendo un movimiento repetitivo de esta hacia arriba a lo largo de cierta distancia y posteriormente leyendo el voltaje de salida del detector SQUID. Si el voltaje del SQUID presenta   un   numero   suficientemente   grande   de   datos   puntuales,   entonces   el   voltaje   puede   ser representado gráficamente como una función de la posición de la muestra. A una secuencia en serie de tales datos se le denomina escaneado. Esta situación se encuentra ilustrada en la Figura 3, en donde la forma correspondiente a la curva del grafico es una función de la geometría de los anillos de detección usados en el sistema MPMS.

Figure 1. (a) Schematic drawing of an RF-SQUID coupled to a flux transformer. The primary coil is configured as a second order gradiometer. (b) Top view of the RF-SQUID sensor showing the wire-junction design.

Aplicación:

Los SQUID’s se están usando por científicos e investigadores para la localización del tejido cerebral que causa epilepsia para monitorear las latidos del corazón de los fetos. 

Con   algoritmos   de   computador   sofisticados   desarrollados   por   Volevog,   los   datos   de   la   Magneto-Encefalografía pueden ser convertidos en mapas que brindan a los investigadores una idea de la actividad cerebral que está ocurriendo. Usando bobinados especialmente diseñados para corrientes, el sistema MEG “Los Alamos”, ha logrado una resolución espacial de menos de 0.25 milímetros. Este sistema responde a los cambios  de  corriente  cerebral  en  menos  de  una  milésima  de   segundo,  adecuado para   la  mayoría  de estudios de corriente cerebral.

SEARCH COIL:

Entre los sensores de proximidad industriales de uso frecuente se encuentran los sensores basados en un cambio de inductancia debido a la cercanía de un objeto metálico.

La figura muestra el esquema de un sensor inductivo o "pickup magnético", que consiste en una bobina devanada sobre un imán permanente, ambos insertos en un receptáculo o cápsula de soporte.

Si   se   coloca   el   núcleo   del   sensor   en  proximidad  de  un  material ferromagnético,   se  produce  un   cambio  en   la  posición  de   las   líneas  de  flujo  del   imán  permanente.  En condiciones estáticas, no hay movimiento en las líneas de flujo y, por consiguiente, no se induce corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un objeto ferromagnético ingresa en el campo del imán y/o lo abandona, el cambio  que   resulta  en   las   líneas  de  flujo   induce  un   impulso  de  corriente,   cuya  amplitud  y   forma son proporcionales a la velocidad de cambio del flujo.

La tensión que se mide sobre la bobina varía como función de la velocidad a la que se introduce el material ferromagnético en el campo del imán. La polaridad de la tensión depende de que el objeto esté ingresando en el campo o abandonándolo.

También existe una relación entre la amplitud de la tensión y la distancia sensor-objeto. La sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia. El sensor es eficaz a un milímetro o menos.

FLUX GATE:

El magnetómetro de flujo de entrada, es el sensor más utilizado para sistemas de navegación basados en la brújula. se desarrolló alrededor de 1928 y posteriormente fue refinado por los militares para la detección de submarinos. Los dispositivos también se han utilizado para la prospección geofísica y las operaciones de mapeo de campo magnético aéreo.

El   tipo   más   común,   llamado   el   dispositivo   del   segundo   armónico   [3-5],   incorporados   bobinas,   una   primaria   y   otra   secundaria,   enrolladas   alrededor   de   un   núcleo   común   de   alta permeabilidad   ferromagnética.   La   inducción  magnética   del   nucleo   cambia   en   presencia   de   un   campo magnético externo. Una señal de control se aplica a la bobina primaria a alguna frecuencia f (por ejemplo, 10 kHz) hace que el núcleo oscile entre los puntos de saturación. La salida de la bobina secundaria entrega una señal que se acopla atravez del núcleo con la bobina primaria. Esta señal se ve afectada por cambios en la permeabilidad del núcleo y aparece como una variación de la amplitud de la salida de la bobina de sensado. La señal puede ser demodulada con un detector de la fase sensible y un flitro pasa bajas para recuperar el valor del campomagnético. Otra forma de ver el principio de funcionamiento de flujo de la puerta es el sentido de la facilidad o resistencia a la saturación del núcleo causado por el cambio en su flujo magnético. La diferencia se debe a que el campo magnético externo.

MAGNETORESISTIVO:

En el caso de este detector de proximidad magnético sin contacto, la detección del campo magnético está a cargo de resistencias que funcionan según un campo magnético. La conexión de puente genera una tensión cuando se acerca un imán. El cambio de tensión se evalúa en un nivel de activación, y se convierte en una señal electrónica de conmutación. El detector de proximidad tiene una salida PNP, lo que significa que, en estado activado, la línea de transmisión de señales cambia a positivo. El conector está normalmente abierto. 

La conexión de la carga se realiza entre la salida de señales del detector de posición y la masa. La superficie sensible a campos magnéticos está indicada mediante un punto azul sobre la placa de material sintético de color negro. Los diodos luminosos (LED) indican el estado de conmutación.

ConstrucciónEl detector de proximidad magnetorresistivo está montado en una placa de material sintético. Esta placa puede girarse en pasos de 15°. Las conexiones eléctricas están montadas en un cuerpo de material sintético. La conexión eléctrica se establece mediante bornes de seguridad. La unidad se monta en la placa perfilada mediante un sistema de patrones con la palanca de color azul (variante de montaje «A»).

MAGNETO INDUCTIVO:

Varia la permeabilidad de su núcleo ferro magnético con el campo magnético de la tierra. la primera patente se   remite   a   1989   por   lo   que   son   relativamente   nuevos.

La   frecuencia   del   oscilador   (RL)   es   proporcional   al   campo   medido.La   frecuencia   del   oscilador   es   proporcional   al   campo   que   se   está   midiendo.Una corriente estática de CC se utiliza para predisponer a la bobina en una región lineal de operación (ver Figura 3). A medida que el sensor se gira 90 º con respecto al campo magnético aplicado, el cambio de la frecuencia observada puede ser haste de un 100%. La frecuencia del oscilador puede ser controlado por un microprocesador   de   puerto   de   captura   /   comparacion   para   determinar   los   valores   de   campo.   Estos magnetómetros son de diseño sencillo, barato y de bajo requerimiento de energía. Su rango de temperatura es de -20 º C a 70 º C, y que se repiten dentro de 4 mg. De montaje automático y alineación del eje son difícil debido al pequeño tamaño del sensor y su configuración física.

REEDSWITCH:

Reed switch (interruptor de lengüeta) es uninterruptor eléctrico activado por un campo magnético. Cuando los contactos están normalmente abiertos se cierran en la presencia de un campo magnético; cuando están normalmente cerrados se abren en presencia de un campo magnético. Fue inventado por W. B. Elwood en 1936 cuando trabajaba para Laboratorios Bell.

Descripción:

El reed switch consiste en un par de contactos ferrosos encerrados al vacío dentro un tubo de vidrio. Cada contacto está sellado en los extremos opuestos del tubo de vidrio. El tubo de vidrio puede tener unos 10 mm de largo por 3 mm de diámetro. Al acercarse a un campo magnético, los contactos se unen cerrando un circuito eléctrico. La rigidez de los contactos hará que se separen al desaparecer el campo magnético. Para asegurar   la  durabilidad,   la  punta de  los  contactos  tiene un baño de un metal  precioso.  El  campo magnético puede estar generado por un imán  permanente o por una bobina.  Como los contactos están sellados, los reed switch son empleados en lugares con atmósferas explosivas, donde otros interruptores se consideran peligrosos. Esto se debe a que la chispa que se produce al abrir o cerrar sus contactos queda contenida dentro del tubo de vidrio. Los reed switch se diseñan en base al tamaño del campo magnético frente al  que deben actuar.  La sensibilidad de sus contactos se cambia al  variar  la aleación con que se fabrican, modificando su rigidez y su coeficiente magnético.

Aplicaciones:

Los reed switch son utilizados ampliamente en el mundo moderno como partes de circuitos eléctricos. Un uso muy extendido se puede encontrar en los sensores de las puertas y ventanas de las alarmas antirrobo, el imán va unido a la puerta y el reed switch al marco. En los sensores de velocidad de las bicicletas el imán está   en   uno   de   los   radios   de   la   rueda,   mientras   que   el   reed   switch   va   colocado   en   la   horquilla. Algunos teclados de computadoras son diseñados colocando imanes en cada una de las teclas y  los reed switch en el fondo delplaca, cuando una tecla es presionada el imán se acerca y activa sus reed switches. 

Actualmente esta solucion es obsoleta, usandose interuptores capacitivos que varian la condicion de un circuito resonante.

GIANT MAGNETO RESISTIVE:

La magnetorresistencia gigante (en   inglés, Giant Magnetoresistance Effect o  GMR)  es  un  efecto mecánico cuántico que   se   observa   en estructuras   de   película   delgadacompuestas   de   capas alternadas ferromagnéticas y   no   magnéticas.   Se   manifiesta   en   forma   de   una   bajada   significativa   de la resistencia eléctrica observada bajo la aplicación de un campo magnético externo: cuando el campo es nulo,  las dos capas ferromagnéticas adyacentes tienen una magnetización antiparalela puesto que están sometidas a un acoplamiento ferromagnético débil entre las capas. Bajo efecto de un campo magnético externo, las magnetizaciones respectivas de las dos capas se alinean y la resistencia de la multicapa cae de manera súbita.  Los spines de  los electrones de  la sustancia no magnética se alinean en  igual número de manera paralela y  antiparalela al  campo magnético aplicado,  y por tanto sufren un cambio de difusión magnética en una menor medida respecto a las capas ferromagnéticas que se magnetizan de forma paralela.