¿Qué es un magnetómetro?

Aprenda los conceptos básicos de los magnetómetros, incluida su relación con las curvas de histéresis y sus aplicaciones.

Los magnetómetros son dispositivos que pueden medir la magnitud o la dirección de un campo magnético. Están presentes en casi todas partes de la electrónica. Pueden ser tan simples como el que usa su teléfono inteligente para detectar si está en posición vertical o tan complejo como el que usa la NASA para medir el campo magnético de Marte.

Aquí, veremos los fundamentos de los magnetómetros y sus aplicaciones. En otros artículos, analizaremos más de cerca los tipos específicos de magnetómetros.

¿Cómo funcionan los magnetómetros?

Los magnetómetros, generalmente a través de un método indirecto, miden lo que se llama momento magnético. El momento magnético de un bucle cerrado con área, A y corriente, I, es un vector cuya magnitud es igual a I por A. El par experimentado por este bucle es igual al momento magnético multiplicado por el campo magnético.

Matemáticamente, el momento magnético se expresa de la siguiente manera:

$$ \ overrightarrow {\ tau} =\ overrightarrow {m} \ times \ overrightarrow {B} $$

Dónde

• τ =torque
• m =momento magnético
• B =campo magnético externo

Como magnitud vectorial, la dirección del campo magnético es tan importante como su amplitud. Algunos magnetómetros pueden medir tanto la dirección como la magnitud del campo magnético (magnetómetros vectoriales), mientras que otros pueden medir solo su amplitud (magnetómetros escalares).

En cuanto a las unidades, la unidad del Sistema Internacional (SI) es Am ² . Sin embargo, es común verlo expresado en muchas otras unidades, como $$ \ frac {erg} {G} $$, donde un ergio es una unidad de energía equivalente a 10 ^-7 julios y G es un gauss.

Magnetómetros y curvas de histéresis

Las propiedades de los materiales magnéticos varían cuando se sumergen en un campo magnético. Dependiendo de cómo reaccionen estos materiales a un campo antes y después de su aplicación, se clasifican en los grupos de materiales paramagnéticos, diamagnéticos o ferromagnéticos. Aparte de estos, existen materiales no magnéticos, que presentan propiedades magnéticas débiles.

La mejor herramienta para representar las propiedades magnéticas es la curva de histéresis. Representa la densidad de flujo magnético, B, frente a la fuerza de intensidad del campo magnético, H.

Figura 1. Un ejemplo de curva de histéresis. Imagen utilizada por cortesía del NDT Resource Center

El aspecto más destacado de los materiales magnéticos es que, incluso cuando eliminamos la fuerza aplicada, permanecen magnetizados (es decir, exhiben retentividad). Luego, para devolver el material a su punto inicial, es necesario aplicar una fuerza de campo magnético negativo (H) para desmagnetizarlo (coercitividad).

Debido a los aspectos especiales de los materiales magnéticos y su plétora de aplicaciones, la capacidad de medir sus propiedades con una buena resolución supuso una revolución en los campos de la física y los materiales.

Medición de componentes electrónicos de alta sensibilidad

Los sensores magnéticos, como muchos otros sensores, están acompañados de un conjunto de sistemas electrónicos para procesar pequeñas señales eléctricas y generar una entrada legible por un microcontrolador, procesador o humanos. El diseño y la construcción de estos sistemas son un desafío porque, la mayoría de las veces, las señales son bastante pequeñas y muy sensibles al ruido. Por lo tanto, los diseñadores deben llegar a un equilibrio entre la complejidad del circuito, la capacidad del sensor y el costo.

Hay componentes de uso frecuente y relativamente simples como filtros o amplificadores, pero también hay otros que son más complejos, como cadenas de modulación-demodulación o amplificadores lock-In.

Con el progreso de la miniaturización, es frecuente encontrar que parte del circuito de acondicionamiento analógico se implementa dentro de un circuito integrado (IC) en la cadena de señal, ya que es menos propenso a errores y más compacto en comparación con una solución discreta.

Figura 2. Partes internas de un IC de sensor Hall. Imagen utilizada por cortesía de Allegro

Por otro lado, una solución integrada puede ser menos flexible. Cuando se trabaja en una aplicación específica o novedosa, los diseñadores pueden preferir una opción discreta porque es posible que necesiten desarrollar una nueva cadena de acondicionamiento.

Aplicaciones del magnetómetro

Los magnetómetros se utilizan ampliamente en aplicaciones diarias. Por lo general, los sensores más complejos se reservan para laboratorios altamente especializados como el de Física y Química de Materiales en Estrasburgo. Dichos magnetómetros pueden incluir magnetómetros de muestra vibrantes, magnetómetros SQUID y AGFM (magnetómetro de campo de gradiente alternativo), entre otros.

Los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente en aplicaciones donde el campo magnético es fuerte. Sus aplicaciones más importantes son la detección y el control de movimiento en aplicaciones de accionamiento de motores.

Figura 3. Un sensor Hall IC. Imagen utilizada por cortesía de Microchip

Es común colocar algunos sensores, generalmente dos o tres, distribuidos espacialmente alrededor de un eje motor, y los componentes metálicos que disparan el sensor frente a ellos. Cada vez que las piezas metálicas pasan por delante de un sensor, generan una señal cuadrada o sinusoidal que permite calcular la velocidad o la posición.

Los magnetómetros MEMS también se encuentran fácilmente en el mercado. Suelen formar parte de las unidades de movimiento inercial (IMU), que miden la aceleración, la velocidad angular y los campos magnéticos. Los modelos como los eCompasses de STMicroelectronics pueden integrarse dentro de una PCB y luego conectarse a otras partes como filtros o microcontroladores. Puede encontrar estos magnetómetros utilizados para aplicaciones como la detección de movimiento en la pantalla de un teléfono inteligente que ajusta automáticamente la información de una pantalla según su orientación horizontal o vertical.