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INTRODUCCIÓN
La revolución que está sufriendo el mundo en el campo tecnológico y que afectará sin duda toda la vida cultural, política y social de lo que resta del siglo y del subsiguiente, es producto en gran medida del avance de la física. Esto se ve de manera particular en el desarrollo de la microelectrónica, la ingeniería y de otras áreas de alta tecnología que utilizan los principios del electromagnetismo en el diseño de aparatos y sistemas de información, medición, etc. Asimismo, la creación de nuevos materiales y su aplicación se basa en gran medida en el conocimiento logrado en el electromagnetismo y la mecánica cuántica. Las aplicaciones que se realizan son variadísimas y la ciencia del magnetismo se ha vuelto central en nuestra tecnología como medio ideal de almacenamiento de datos en cintas magnéticas, discos magnéticos y burbujas magnéticas. Además, se empieza a aplicar en la medicina. Como ya lo mencionamos, el desarrollo de nuevos materiales y su aplicación a modernas tecnologías es uno de los generadores que mueven a la sociedad posindustrial.
A continuación presentaremos algunos de los usos del magnetismo en diversas áreas. Esta descripción no pretende cubrir todos los temas de aplicación del magnetismo. Sólo queremos presentar un panorama de las inmensas posibilidades que en este campo existen cuando la ciencia, la tecnología y por supuesto la ingeniería se conjugan en forma imaginativa. Para esto examinaremos el área de nuevas aplicaciones tecnológicas del magnetismo en área de la ingeniería industrial al optimizar el control de la producción de bienes y servicios, teniendo en cuenta los aspectos económicos, técnicos, sociales y tecnológicos.
La importancia del magnetismo en esta rama de la ingeniería radica en la gran cantidad de productos que se pueden generar para uso común y de grandes empresas con la correcta aplicación del magnetismo a los diversos procesos industriales y a la elaboración de los productos como ejemplo muy simple podríamos citar el televisor, el teléfono, el láser, el computador, la fibra óptica, las antenas de telecomunicación y otros que nos ayudan a comunicarnos y modifican nuestra forma de comprender el mundo. ¿Qué tienen ellos en común? Que en su estructura hay imanes. Las fuerzas características de los imanes se denominan magnetismo. Que gracias al avance da la tecnología pude utilizarse también en la medicina con la creación de una técnica novedosa la resonancia magnética.
LA MAGNETOSTÁTICA
La magnetostática es el estudio de todos los fenómenos físicos en los que intervienen campos magnéticos constantes en el tiempo.
La magnetostática abarca desde la atracción que ejercen los imanes y los electroimanes sobre los metales ferromagnéticos, como el hierro, hasta los campos magnéticos creados por corrientes eléctricas estacionarias. De hecho ambos fenómenos están estrechamente relacionados, ya que las corrientes eléctricas crean un campo magnético proporcional a la intensidad de corriente y que disminuye con la distancia.
Además todo cuerpo que entra en un campo magnético toma una imantación que depende de su naturaleza, y que generalmente pierde al retirarse de ese campo; algunos aceros conservan parte del magnetismo inducido o magnetismo remanente.
Hay cuerpos paramagnéticos que son atraídos por los imanes (hierro, níquel, cobalto, etc.), y cuerpos diamagnéticos, que son repelidos por ellos.
TIPOS DE MAGNETISMO
Cuando los materiales se someten a un campo magnético puede haber 4 tipos de respuestas:
Hay un tipo de materiales que cuando se someten a un campo, los dipolos se orientan produciendo campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado, esto se conoce como DIAMAGNÉTISMO. Los valores de susceptibilidad de estos materiales es pequeña y negativa y su permeabilidad próxima a la unidad.
En los PARAMAGNÉTICOS, los momentos dipolares se orientan en dirección al campo, y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar de aplicar el campo magnético.
Ambos materiales no tienen un significado importante en ingeniería.
Los materiales FERROMAGNÉTICOS se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso magnetismo no es debido a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3 materiales ferromagnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causa de este magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estos elementos.
Los materiales FERRIMAGNÉTICOS son cerámicos y su magnetización es significativa pero menor que en los ferromagnéticos, sus conductividades son bajas, lo que hace que sean aplicables en electrónica.
La magnetización en los ferromagnéticos se debe a la curva de histéresis, que es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Una vez producida la magnetización se intenta eliminar el campo magnético, pero para valor de campo magnético cero el material sigue magnetizado, y para poder desmagnetizarlo es necesaria la aplicación de un campo negativo o fuerza coercitiva.
Las curvas de histéresis varían a medida que varía la temperatura, a medida que aumenta la temperatura la magnetización disminuye, hasta llegar a la temperatura de Curie, en la que el material deja de comportarse como ferromagnético y pasa a comportarse como paramagnético.
Los materiales ferromagnéticos llegan a un momento en que aunque se siga aplicando el campo magnético no se magnetizan más y alcanza la inducción de saturación, y una vez retirado el campo no pierde toda la magnetización sino que la guarda en lo que se conoce como inducción.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS MATERIALES
Podemos considerar elementos magnéticos a aquellos elementos de la tabla periódica que tienen electrones desapareados, pero en realidad esto no sucede, ya que sólo existen 3 elementos que se magnetizan al aplicarles un campo magnético, son el Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni). El magnetismo es dipolar, es decir, existen dos polos magnéticos separados por una determinada distancia.
Las propiedades magnéticas, son las determinadas respuestas de un material al campo magnético.
Se distinguen entre materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros.
Materiales Magnéticos blandos: Aquellos que se pueden desmagnetizar.
Materiales Magnéticos duros: Aquellos que no se pueden desmagnetizar.
MAGNITUDES MAGNÉTICAS
Campo magnético: Región del espacio en que se crea un estado magnético susceptible de convertirse en fuerzas de atracción o repulsión de cuerpos magnéticos. Este campo se traduce en unas líneas de fuerza y dos polos de los que parten estas líneas (dipolar).
Otra forma de generar campos magnéticos es haciendo pasar por una bobina una corriente.
Si dentro de la bobina introducimos un material magnético, el campo magnético fuera del solenoide es ahora más fuerte, ya que es la suma del campo del propio solenoide y el campo magnético externo del material introducido, esto se conoce como inducción magnética.
La permeabilidad magnética de un material ferromagnético no es una constante, y cambia dependiendo de cómo se magnetice el material.
Ya que la magnetización de un material magnético es proporcional al campo aplicado, se
define un factor de proporcionalidad llamado susceptibilidad magnética .
INDUCTORES
Los inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos magnéticos. Una aplicación de los inductores, consistente en bloquear (“choke” en inglés) las señales de AC de alta frecuencia en circuitos de radio, dio origen a que con dicho término (choque) se haga referencia a los inductores que se emplean en aplicaciones donde su valor no es crítico y que por lo tanto admiten grandes tolerancias.
Las bobinas están construidas de un alambre de cierta longitud que está enrollado en forma de hélice sobre un núcleo. Algunas veces incluyen también un carrete aislante intermedio llamado formaleta que aloja el arrollamiento y lo separa eléctricamente del núcleo. La operación de las bobinas se basa en el principio de la teoría electromagnética, descubierto por Hans Christian Oersted en 1819 y examinado más profundamente por André Marie Ampeére en 1820, según el cual, cuando circula una corriente a través de un alambre, éste produce a su alrededor un campo magnético.
Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas.
Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.
Los inductores ideales no disipan energía como lo hacen los resistores. Pero en la práctica, el inductor real presenta una resistencia de devanado que disipa energía. A continuación figura un modelo práctico (simplificado) de inductor.
CLASIFICACIÓN
Según el núcleo o soporte:
Según la forma constructiva:
• Solenoides: • Toroides:
Según la frecuencia de la corriente aplicada:
• Alta frecuencia: de reducido tamaño y número de espiras • Baja frecuencia: de mayor tamaño y número de espiras
Según el recubrimiento: Plástico, resina, metal (apantalladas).
Según la característica de su valor: fijos y ajustables.
Según el tipo de montaje: de inserción y SMD.
• Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnético (fibra, plástico.). En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada sólo debido a la rigidez mecánica del conductor.
• Núcleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100), aumenta el valor de la inductancia. Sin embargo, sólo se emplea en bajas frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: fuentes de alimentación y amplificadores de audio.
• Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos, de alta permeabilidad (10 a 10000) que además son dieléctricos. Existe una gran variedad en el mercado en función de la frecuencia de trabajo.
CRITERIOS DE SELECCIÓN
A continuación se enumeran las características técnicas que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar los inductores para determinada aplicación.
• Valor inductivo
• Tolerancia
• Tamaño y requisitos de montaje
• Margen de frecuencias o frecuencia central de trabajo
• Capacidad parásita entre bornes: tiene influencia al trabajar en alta frecuencia porque puede hacer que el inductor se comporte como un cortocircuito.
• Resistencia de aislamiento entre espiras: si se supera el voltaje máximo entre terminales, se perfora el aislante del hilo conductor.
• Corriente admisible por el hilo conductor
• Q (factor de calidad o de mérito): se define como la relación entre la reactancia inductiva y la resistencia óhmica del inductor (Q=2*pi*f*L / R). Es deseable que la resistencia sea baja y por ende que el Q sea alto. Según la fórmula, Q tendría que aumentar con la frecuencia, sin embargo no es así porque también aumenta la resistencia.
Los fabricantes informan sobre el Q del inductor a la frecuencia de trabajo o bien presentan curvas de Q (f). Los Q de inductores para aplicaciones de radiofrecuencia oscilan entre 50 y 200.
• Coeficiente de temperatura
APLICACIONES DE UNA BOBINA
- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro.
- En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y sólo obtener corriente continua en la salida.
Tipo Formato Valores típicos Aplicaciones
Solenoides:
núcleo de aire
núcleo de ferrita
1nH a 15mH generales, filtros,
convertidores DC/DC
Toroides
1uH a 30mH para filtrar transitorios
Encapsulados o moldeados
0.1uH a 1mH osciladores y filtros
Chips 1nH a 1mH aplicaciones generales
Ajustables
1nH a 7mH
osciladores y circuitos de RF como
transmisores y receptores
INDUCTANCIA
Bobina o inductor que tiene la propiedad de oponerse a cualquier cambio en la corriente (corriente variante en el tiempo) que lo atraviesa.
En las bobinas ocurre un fenómeno de oposición a las variaciones de la corriente eléctrica.
En otras palabras, si la corriente en un circuito trata de subir o bajar y en ese circuito hay una bobina, ella se opone a que la corriente suba o baje.
Este comportamiento es comparable a la inercia en un movimiento mecánico.
Si un cuerpo con determinado peso se está moviendo y tratamos de aumentar o rebajar su velocidad, hay una fuerza que se opone a ese cambio, y que se llama inercia.
La unidad de la inductancia es el henrio (henry) y se representa por la letra “L”.
La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente. El valor depende de:
- El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). - El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). - La longitud del cable de que está hecha la bobina. - El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.
El valor de la inductancia viene determinado exclusivamente por las características geométricas de la bobina y por la permeabilidad magnética del espacio donde se encuentra.
La inductancia siempre es positiva, salvo en ciertos circuitos electrónicos especialmente concebidos para simular inductancias negativas.
CIRCUITOS MAGNETICOS
Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el que las líneas de fuerza del campo magnético están canalizadas en un camino cerrado. Se basa en que los materiales ferromagnéticos tienen una permeabilidad mucho más alta que el aire o el espacio y por tanto el campo magnético tiende a quedarse dentro del material.
Un circuito magnético sencillo es un anillo o toro de una material ferromagnético con un arrollamiento por el que circula una corriente. Esta última crea un flujo en el anillo cuyo valor viene dado por:
Donde Φ es el flujo magnético, es la fuerza magnetomotriz, definida como el producto del número de espiras N por la corriente I () y es la reluctancia.
Los circuitos magnéticos son importantes en electrotecnia, pues son la base de transformadores, motores eléctricos, muchos interruptores automáticos, relés, etc.
CLASES DE CIRCUITOS MAGNÉTICOS
Homogéneos: una sola sustancia, sección uniforme y sometida a igual inducción en todo su recorrido.
Heterogéneos: varias sustancias, distintas secciones o inducciones, o coincidencia de estas condiciones.
ALGUNAS APLICACIONES DEL MAGNETISMO
o LA TECNOLOGÍA EN INFORMÁTICA BASADA EN EL MAGNETISMO
La tecnología de información magnética incluye tres campos: grabación magnética, grabación optomagnética y burbujas magnéticas.
El almacenamiento de información vía grabación magnética se realiza en cintas magnéticas, discos flexibles (floppy disks) y discos duros. Una cabeza de grabación convencional consiste en un material magnético de alta permeabilidad alrededor del cual pasa una corriente por un alambre. El campo magnético en la brecha magnetiza el medio magnético en dirección del campo. Cambiando la dirección de la corriente se pueden magnetizar diferentes regiones del medio en direcciones opuestas y por tanto se tiene un código de información binario. Para leer esta información se mueven la cabeza y el medio en relación una al otro y al interceptar la cabeza al campo magnético del medio se generan pulsos eléctricos por la ley de Lenz.
o GRABACIÓN OPTOMAGNÉTICA
En este sistema la lectura y grabación se hace con un rayo láser. El sistema es mecánicamente simple y la densidad de información está limitada por la longitud de onda del láser. Para grabar, un rayo de luz láser incide sobre una delgada película magnética. El láser calienta una región y alinea su momento magnético con un campo magnético aplicado. Para leer la información se usa luz de menor intensidad que la utilizada para escribir. Cuando la luz pasa por el material, su plano de polarización gira debido al efecto Faraday. La dirección de rotación depende de la dirección de magnetización del material y de esta forma, usando un polarizador, uno puede transformar rotaciones en direcciones distintas en diferencias de intensidad.
o TECNOLOGÍA DE BURBUJAS MAGNÉTICAS
Las memorias de burbujas magnéticas pueden representarse como pequeños dominios móviles cuya polaridad es contraria a la de sus alrededores.
La presencia o ausencia de una burbuja puede ser interpretada como un código binario. Estas memorias son ventajosas con respecto a otros sistemas de grabación en tiempos de acceso, costo y confiabilidad. Las memorias de burbuja son microestructuras, de cerca de una micra, de una aleación níquel-hierro producidas litográficamente en películas de granate.
o LA RESONANCIA MAGNETICA
La resonancia magnética es el más reciente avance tecnológico de la medicina para el diagnóstico preciso de múltiples enfermedades, aún en etapas iniciales.
Está constituido por un complejo conjunto de aparatos emisores de electromagnetismo, antenas receptoras de radio frecuencias y computadoras que analizan datos para producir imágenes
detalladas, de dos o tres dimensiones con un nivel de precisión nunca antes obtenido que permite detectar, o descartar, alteraciones en los órganos y los tejidos del cuerpo humano, evitando procedimientos molestos y agresivos como melografía (punción lumbar), artrografía (introducción de medios de contraste en articulaciones) y otros que involucran una agresión o molestia para el paciente.
FUNCIONAMIENTO
Para producir imágenes sin la intervención de radiaciones ionizantes (rayos gama o X), la resonancia magnética se obtiene al someter al paciente a un campo electromagnético con un imán de 1.5 Tesla, equivalente a 15 mil veces el campo magnético de nuestro planeta.
Este poderoso imán atrae a los protones que están contenidos en los átomos de hidrógeno que conforman los tejidos humanos, los cuales, al ser estimulados por las ondas de radio frecuencia, salen de su alineamiento normal. Cuando el estímulo se suspende, los protones regresan a su posición original, liberando energía que se transforma en señales de radio para ser captadas por una computadora que las transforma en imágenes, que describen la forma y funcionamiento de los órganos.
o MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Una Máquina Eléctrica es un artefacto que puede convertir energía eléctrica en energía mecánica (trabajando como motor) o bien energía mecánica en energía eléctrica (trabajando como generador). Este tipo de máquinas puede convertir energía de una forma u otra por la acción de un campo magnético.
El desarrollo de la ciencia amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas. Las corrientes eléctricas y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos magnéticos (región del espacio donde se manifiestan los fenómenos magnéticos).
o CAMPO MAGNÉTICO RESIDUAL EN MÁQUINA ROTATORIA
Al igual que en un conductor o un material, en los elementos de una máquina eléctrica rotatoria se pueden inducir campos magnéticos que producen un magnetismo residual o magnetización. En las máquinas eléctricas rotatorias, el fenómeno de magnetización causa graves problemas, como la generación de corrientes inducidas que atenúan en el desgaste mecánico en chumaceras, collarines, muñones e inclusive en la misma flecha, por efectos conocidos como corrientes frosting, pitting o spark tracks, así como lecturas erróneas en sensores de vibración y temperatura, y que en algunos casos pueden provocar que la máquina rotatoria salga de operación. En el ámbito mundial no existe una norma que establezca los valores del campo magnético residual, permitidos en máquinas eléctricas rotatorias. Los valores recomendados en la literatura del tema se han establecido con base en la experiencia de trabajos desarrollados, y según éstos, se ha determinado que una máquina no presenta mayores problemas con niveles de magnetismo residual inferiores a 3 Gausses (G). En caso de
que los niveles de campo magnético residual sean superiores a los mencionados en una máquina eléctrica rotatoria, es necesario llevar a cabo un proceso de desmagnetización, hasta llegar a los niveles aceptables. CAUSAS DE LA MAGNETIZACIÓN EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS El campo magnético residual en los elementos de una máquina eléctrica rotatoria, son producido por diferentes causas, entre las cuales podemos mencionar las siguientes: a) La utilización de herramientas con fuertes campos magnéticos en el estator y/o rotor en áreas de la máquina donde se presentan altos niveles de campo magnético durante la operación. b) El soldar sobre los elementos de la máquina. Cuando es necesario hacerlo, el electrodo de tierra debe colocarse lo más cerca posible al electrodo de fundición, tomando las medidas de seguridad necesarias. La soldadura debe realizarse antes de instalar el rotor, flecha, chumaceras, sellos, etc. En caso de que durante el proceso de soldadura, el electrodo de tierra se coloque en un lugar en el que la corriente de retorno pueda encontrar una trayectoria, a través de la estructura compuesta de las partes rotativas y estacionarias de la máquina, se pueden provocar campos magnéticos. c) Los campos magnéticos originados por diferentes componentes, coincidentemente pueden estar alineados de tal forma que induzcan mayores corrientes. En este caso es posible instalar componentes de repuesto que presenten campos de la misma intensidad, pero orientados de una manera diferente para eliminar las corrientes de flecha. d) La circulación de una corriente directa puede alinear sus dipolos magnéticos durante una falla a tierra en la flecha del rotor de un generador, de tal forma que la flecha se magnetice. e) Al realizar operaciones y pruebas con inducción magnética (pruebas de inspección con partículas magnéticas).
HERRAMIENTAS MAGNETIZADAS MÁS USUALES DENTRO DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES
Overbands, filtros, tambores magenticos
o MANUTENCIÓN Y ROBÓTICA
En la robótica actual, los sistemas Magnéticos y Electroimanes cobran cada día una mayor importancia dentro del sector industrial. Esto es debido a su gran versatilidad y flexibilidad a la hora de su fabricación, diseño y montaje.
Este tipo de Sistemas Magnéticos pueden diseñarse para la manipulación y transporte de cualquier tipo de pieza metálica, pudiendo ser adaptada a las necesidades especiales de cada sector.
Los principales sectores de Aplicación son los siguientes:
SEGURIDAD Y TRANSPORTE
Dispositivo de Cierre, Cerramientos, Puertas Automáticas, cierres puerta Corta-fuego
ASCENSORES Y MONTACARGAS
Sensores, escaleras, rampas, equipos de señalización y transporte.
ENVASE Y EMBALAJE.
Automatismos – Maquinaria para el etiquetado, y envase, dispensadores automáticos.
MEDICINA
Aparatos de Radiología, Diálisis, Dosificadores y respiración artificial.
MAQUINARIA
Robots Industriales, motores, prensas, electrodomésticos. Maquinaria textil, hornos industriales.
CONCLUSIÓN
Los distintos tipos de herramientas que se han desarrollado en base a las propiedades del magnetismo tienen, hoy en día, y cada vez más, un protagonismo destacado dentro de la industria moderna.
Empresas especializadas en la investigación y desarrollo de esta tecnología, van introduciendo, con gran éxito, innovadoras técnicas de aplicación de las propiedades de los imanes a través de maquinaria o accesorios que permiten optimizar y racionalizar los procesos productivos en una gran cantidad de sectores de la industria productiva y, lo que es más importante, en la tarea de reciclaje, facilitando el complicado proceso de separación para la selección de los materiales a reciclar.
La relación del magnetismo en la ingeniería industrial radica en la gran cantidad de aplicaciones tecnológicas que tiene esta ciencia; en los procesos de producción, de fabricación y en la gran cantidad de aparatos y maquinarias que se pueden crear con la correcta aplicación del magnetismo y la gran capacidad del ingeniero industrial para crear métodos de las ciencias matemáticas y físicas de una forma amplia y genérica, para determinar, diseñar, especificar y analizar los sistemas, innovar y desarrollar nuevas tecnologías a partir de sus conocimientos en esta disciplina tan amplia de la física.
