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.
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| Pulso de sonido enviado desde buque de superficie hacia el submarino |
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| Pulso de sonido reflejado en submarino volviendo al Buque de superficie |
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.
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Fig. 1
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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. Ella 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.
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Fig.2 Resultado de aplicar
una tensión alterna
Sinusoidal directamente a
la bobina
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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.
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| Fig. 3 – Resultado de usar una corriente de polarización |
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