10.2: Inducción electromagnética

Quizás la observación más importante con respecto a los sistemas magnéticos es la ley de Faraday de inducción electromagnética. Brevemente, afirma:

\[\text{If a conductor is cut by changing magnetic lines of force, a voltage will be induced in the conductor.} \label{10.1} \]

Más específicamente,

\[e = − \frac{d \Phi}{dt} \label{10.2} \]

Dónde

\(e\)es el voltaje inducido,

\(d\Phi /dt\)es la tasa de cambio del flujo magnético con respecto al tiempo.

Por lo tanto, cuanto mayor es el flujo y más rápidamente fluctúa, mayor es el voltaje inducido. Lo importante aquí es un cambio relativo con respecto al conductor y al campo. Esto se puede lograr de dos maneras básicas: mediante un campo magnético que a su vez fluctúa alrededor de un conductor fijo, o por un conductor que se mueve a través de un campo magnético.

El concepto de inducción electromagnética es un elemento clave de una variedad de transductores. En pocas palabras,

\[\text{A transducer is a device that transforms energy from one type to another.} \label{10.3} \]

Aunque mucha gente no piensa en ellos como tales, los motores y generadores eléctricos son ejemplos perfectos de transductores. Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en energía mecánica y un generador hace exactamente lo contrario, transformando la energía mecánica en energía eléctrica. Más comúnmente, la palabra transductor se asocia con dispositivos como altavoces y micrófonos. Un altavoz transforma su entrada eléctrica en una onda de presión acústica (sonido) mientras que el micrófono realiza la función complementaria de transformar una onda de presión acústica en una señal eléctrica. Si bien existen diferentes formas de construir estos dispositivos, los diseños más comunes son el altavoz dinámico y el micrófono dinámico, los cuales se basan en el principio de inducción electromagnética. Los diseños de los dos dispositivos son sorprendentemente similares, en su mayoría variando en tamaño y optimización de piezas. Echemos un vistazo más de cerca a cómo operan.

Altavoces Dinámicos y Micrófonos

Independientemente de sus capacidades de salida y rango de frecuencia, todos los altavoces dinámicos comparten un conjunto común de elementos. Los elementos correspondientes se pueden encontrar en micrófonos dinámicos. De hecho, los dispositivos son tan similares que en algunas aplicaciones, los altavoces pequeños pueden tirar de doble función y cambiar a un modo de funcionamiento de micrófono. En la Figura {{Template.index (ID:1)} se muestra una vista en corte de un altavoz diseñado para reproducir bajas frecuencias.

Figura 10.2.1 : Vista en corte de un altavoz dinámico. A. Marco B. Suspensión C. Cable conductor D. Araña E. Imán F. Diafragma G. Bobina de voz ex H. Bobina de voz I. Tapón antipolvo Imagen cortesía de Audio Tecnología.

El corazón del sistema es una bobina de voz (H) que es una bobina de alambre magnético firmemente enrollado. Esto se asienta dentro de un campo magnético que es creado por un poderoso imán permanente (E). La bobina de voz está conectada a un diafragma (F) que suele estar hecho de papel o plástico. Este conjunto está conectado al bastidor por la araña (D) en la parte superior de la bobina de voz, y una suspensión en el extremo del diafragma (B). La bobina de voz y el diafragma pueden moverse hacia adelante y hacia atrás en relación con el marco, como un pistón.

Figura 10.2.2 : Campo magnético alrededor de una bobina. Imagen ©, cortesía de HyperPhysics

Para entender la operación, recuerde que pasar una corriente a través de una bobina de alambre crea un campo magnético alrededor de la bobina, como se ilustra en la Figura 10.2.2 . Este campo magnético es el mismo que es creado por un imán normal. En este caso el polo norte se encuentra en el lado izquierdo (es decir, líneas de fuerza que salen). En consecuencia, esta bobina interactuará con un imán permanente tal como lo haría cualquier otro imán. En el caso del altavoz, la bobina de voz es alimentada con una corriente desde el amplificador que hace eco de la música o señal de voz. Esta corriente crea un campo magnético alrededor de la bobina de voz que interactúa con el campo del imán permanente. A medida que cambia la dirección de la corriente, los polos del campo de la bobina de voz se invierten. Así, a veces la bobina de voz es empujada hacia afuera y a veces se tira hacia adentro. Además, cuanto mayor es la corriente, mayor es el campo que crea, y mayor es el empuje o tirón.

Esto da como resultado un movimiento de ida y vuelta del diafragma que hace eco de la forma de onda que se alimenta desde el amplificador. A medida que el diafragma empuja contra el aire, establece una onda de presión, y tenemos sonido.

Un micrófono dinámico ejecuta la secuencia a la inversa. Primero, el diafragma se moverá hacia adelante y hacia atrás de acuerdo con una onda de sonido aplicada. Esto hace que la bobina móvil se mueva hacia adelante y hacia atrás dentro del campo del imán permanente. Ahora tenemos una bobina de alambre cortada por líneas magnéticas de fuerza, y por la ley de inducción de Faraday, esto significa que se inducirá un voltaje en la bobina. Siempre que el diafragma pueda responder a los cambios sutiles en la onda de presión acústica, entonces el voltaje inducido resultante debe ser de alta fidelidad. Claramente, para hacer esto con gran precisión, el conjunto de diafragma/bobina de voz/suspensión necesitará ser muy ligero y ágil, lo que significa que los componentes del micrófono tenderán a ser mucho más pequeños que los de un altavoz.

Pastilla Guitarra Eléctrica

Un conjunto de pastillas para una guitarra eléctrica se muestra en la Figura 10.2.3 . Aunque puede ser tentador pensar que las pastillas son solo micrófonos, no lo son. Si tienes alguna duda de esta afirmación, solo intenta gritar en una pastilla de guitarra y escucha lo que sale ¹. El funcionamiento de la pastilla de guitarra, sin embargo, se basa en la ley de Faraday.

Figura 10.2.3 : Pastillas en una guitarra eléctrica.

Como se discutió en el capítulo anterior que cubre la inductancia, una pastilla de guitarra eléctrica consiste en miles de vueltas de alambre muy fino alrededor de un imán permanente. La pastilla se coloca inmediatamente debajo de las cuerdas de la guitarra. En esta posición, las cuerdas metálicas de guitarra (generalmente varias combinaciones de acero, níquel y/o cobalto), están dentro del campo generado por el imán. Cuando se arranca una cuerda, vibra en un patrón complejo que depende de la nota a la que esté afinada y de los armónicos que estén presentes. Este patrón distorsiona el campo magnético porque las cuerdas tienen una permeabilidad mucho mayor que el aire que las rodea. Ahora tenemos un campo magnético cambiante, en medio del cual se encuentra una gran bobina de alambre. La ley de Faraday establece que se debe inducir un voltaje en esta bobina, y que seguirá los movimientos de las cuerdas. Este voltaje inducido se alimenta luego a un amplificador, ojalá, ajustado a 11.

El astuto observador podría preguntar: “¿Por qué hay múltiples camionetas?” Quizás sorprendentemente, no es para obtener una señal más grande, y por lo tanto más fuerte,. Tiene que ver con el timbre, o calidad de tono, del sonido. Cuando una cuerda de guitarra vibra, se puede pensar que su movimiento contiene la miríada de movimientos del tono fundamental y todos los armónicos que la acompaña. Hacia el puente, donde se unen las cuerdas, los elementos de tono más bajo producen poco movimiento, y así se reduce su fuerza en la señal general. El resultado es que una pastilla colocada más cerca del puente suena “delgada” o “cortante” mientras que una colocada más arriba suena “llena” o “gruesa”.

Computadora para bicicleta

Nuestro tercer y último ejemplo ilustrativo es el de una computadora para bicicleta. Estos pequeños y prácticos dispositivos consisten en un pequeño sistema de sensores en la rueda delantera que está conectado a una unidad de visualización montada en el manillar. Por lo general, estas unidades mostrarán la velocidad actual, la velocidad promedio, el tiempo transcurrido, la distancia recorrida y otros atributos de interés.

Figura 10.2.4 : Sensor e imán para computadora para bicicleta.

El aparato de detección de una computadora de bicicleta típica se muestra en la Figura 10.2.4 . Este aparato consta de dos partes: un imán permanente montado en uno de los radios de la rueda, y una unidad de detección resistente a la intemperie montada en la horquilla delantera. El principio de funcionamiento es bastante sencillo: cada vez que gira mientras gira, el imán unido al radio oscila por el sensor. El campo magnético móvil crea un pico de voltaje de corta duración en el sensor, un ejemplo que se muestra en la Figura 10.2.5 . La computadora registra estos picos a lo largo del tiempo. Conociendo la circunferencia de la rueda, una simple multiplicación arroja la distancia acumulada recorrida. Dado el circuito interno de reloj, el tiempo registrado entre los pulsos se puede convertir en una velocidad. Dados estos datos, otros atributos como la velocidad media o máxima se obtienen fácilmente con cómputos adicionales.

Figura 10.2.5 : Señal del sensor que alimenta la computadora de la bicicleta.

Usando como ejemplo la traza del osciloscopio que se muestra en la Figura 10.2.5 , podemos ver que el tiempo entre los pulsos es de aproximadamente 3.5 divisiones, siendo cada división 200 milisegundos de longitud. Esto da una rotación cada 0.7 segundos, o aproximadamente 5140 revoluciones por hora. El sensor se montó en una bicicleta con llantas de 700 por 25 mm lo que arroja una circunferencia de aproximadamente 2.1 metros. Así, la velocidad sería de 5140 revoluciones por hora a 2.1 metros por revolución, o alrededor de 10.8 km/h (\(\approx\)6.73 MPH). ²

Referencias

¹ Un poco de resonancia de cuerda si tienes suerte, y algunos compañeros de banda irritados si no lo eres.

² En realidad, la bicicleta estaba montada en un soporte de mantenimiento por lo que su velocidad era, de hecho, cero. Correr junto a una bicicleta con un osciloscopio y sondas no es tarea fácil, especialmente cuando el visor necesita alimentación de CA.