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sábado, 2 de agosto de 2014

Magnetostricción



Magnetostricción (Del inglés magnetostriction).
Se denomina magnetostricción al cambio de las dimensiones de un material ferromagnético (hierro, niquel, cobalto y sus aleaciones) por la acción de un campo magnético.
Electrostricción (De electro- y el lat. strictĭo, -ōnis, constricción, presión).
Deformación de un cuerpo cuando está sometido a un campo eléctrico (piezoelectricidad).

El SONAR
Una aplicación importante de los fenómenos de  magnetostricción y de  electrostricción se encuentra en el SONAR. El término proviene de Sound Navigation And Ranging.
El SONAR emite y recibe ondas de sonido que se propagan dentro del agua del mar. Sus aplicaciones más conocidas consisten en la detección de submarinos desde los buques de superficie, detección de buques de superficie desde los submarinos, teléfonos subacuáticos que permiten la comunicación de voz entre submarinos sumergidos y buques de superficie y para medir la profundidad del mar desde las embarcaciones en general. Para los casos de detección y medición se usa la reflexión de una onda de sonido en el blanco (eco), de una manera similar al radar, solo que a diferentes frecuencias. Una frecuencia de portadora típica de un sistema de telefónico subacuático es 8.000Hz. Sobre ella se modula el audio de la voz. Cuando se usa el principio del sonar para medir la profundidad del mar, las ondas de sonido se reflejan en el fondo del mar y en este caso el equipo recibe el nombre de sonda.
Existen grandes similitudes entre el SONAR y el RADAR, diferenciándose en que en el caso del RADAR se usan antenas y en el SONAR la antena es reemplazada por un transductor encerrado en un domo hermético para el agua, pero que permite el paso de las ondas de sonido.

Animation of active sonar.
Buque de superficie detectando submarino con SONAR

Transductores magnetostrictivos y a cristal
La energía de las ondas de sonido es energía mecánica. La energía  de las señales generadas o recibidas por los circuitos electrónicos de los equipos de sonar es energía eléctrica. Frecuentemente es necesario cambiar una forma de energía a la otra.
Un transductor es el dispositivo que realiza este cambio y actúa como link  de conexión entre los circuitos electrónicos del  equipo de sonar  y el agua.
Dos fenómenos son actualmente empleados para cambiar energía eléctrica a energía mecánica y energía mecánica a energía eléctrica. Estos son la magnetostricción (efecto magnetostrictivo) y electrostricción (efecto piezoeléctrico).
Transductores de magnetostricción: ciertos materiales experimentan un cambio de dimensiones cuando son sometidos a un campo magnético. Este cambio de dimensiones se produce en la dirección del campo magnético aplicado y puede resultar en un alargamiento o acortamiento, dependiendo del material y de la magnitud de campo magnético aplicado. El niquel presenta este efecto magnetostrictivo en un alto grado y es el material más usado en los transductores magnetostrictivos. El níquel se contrae en un campo magnético, siendo su cambio de longitud muy próximo a la proporcionalidad con respecto a la intensidad del campo, dentro de un considerable rango de intensidad magnética.

Fig. 1
En la Fig. 1 se muestra un tubo de níquel sobre el cual ha sido enrollada una bobina. Si la llave Sw es cerrada a la posición 1, la tensión alterna sinusoidal es aplicada a la bobina, dando como resultado la circulación de una corriente alterna sinusoidal y la inducción de un campo magnético H, también con una forma de onda sinusoidal, como se muestra en la Fig.2.
Como el níquel se contrae en un campo magnético, en forma proporcional a su intensidad, sin diferenciar el sentido del campo, la onda de dicha contracción tendrá la forma representada para ΔL en la Fig. 2. De esta forma, la vibración inducida tendrá una frecuencia 
que será el doble de la de la tensión aplicada.

En muchos casos es deseable que la frecuencia de la vibración sea igual a la frecuencia de la tensión aplicada. Esto puede ser conseguido haciendo pasar una corriente continua de “polarización” por la bobina.
Si la llave Sw es cerrada a la posición 2, en la Fig.1, la tensión de alterna, en serie con la batería, producirán una corriente a través de la bobina que tiene una componente de continua Io, dada por el cociente entre la tensión de la batería y la resistencia interna de la bobina, y una componente alterna. Si la tensión de continua es elegida de modo que produzca una corriente  de un valor ligeramente mayor que el pico de la corriente alterna, la corriente total en la bobina siempre circulará en el mismo sentido, variando en función del tiempo como se muestra en la Fig.3. El campo magnético resultante estará compuesto por un “campo de polarización”, constante, y por una componente alterna, pero teniendo siempre el mismo sentido, igual que la corriente, como se muestra también en la Fig. 3. Como este campo no invierte su sentido y la contracción del tubo de níquel es proporcional al campo magnético, la variación de longitud del tubo de níquel será sinusoidal en función del tiempo, siendo su frecuencia igual a la de la tensión de alterna aplicada, como se muestra en la Fig. 3.
Si uno lo desea, el campo magnético de polarización, puede ser obtenido mediante el uso de imanes permanentes, en cuyo caso no será necesaria la utilización de la batería.

Fig.2 Resultado de aplicar una tensión alterna
Sinusoidal directamente a la bobina
Si el tubo de níquel de la Fig. 1 es sometido a vibraciones, ocasionadas por  fuerzas aplicadas externamente, las tensiones resultantes cambian la permeabilidad del níquel. Si un campo magnético de polarización es aplicado, los cambios de permeabilidad causarán los correspondientes  cambios en la intensidad de la inducción magnética (B= μ.H) y del flujo magnético (Ф=B.Sección). El cambio de la intensidad del flujo magnético inducirá en la bobina una tensión que tendrá una amplitud proporcional a la amplitud de la vibración aplicada sobre el tubo y variará de la misma manera en el tiempo. A este fenómeno se le suele llamar efecto magnestrictivo inverso. Obsérvese que si no hubiera ninguna polarización magnética, no se induciría ninguna tensión en la bobina. Esta es otra razón por la cual es usado el campo magnético de polarización.



Fig. 3 – Resultado de usar una corriente de polarización




















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