Magnetómetro. Instrumento utilizado para medir la magnitud y dirección de un campo magnético.

Sensores Magnéticos Basados en el Campo Magnético Terrestre

Este texto se centra exclusivamente en los sensores magnéticos que detectan el campo magnético de la Tierra, dejando de lado los magnetómetros clásicos de gran tamaño con perillas y pantallas. En la actualidad, los sensores magnéticos son chips compactos, conocidos como magnetómetros, que pueden integrarse en pequeños dispositivos electrónicos.

Figura : La figura muestra las líneas de campo que representan el flujo magnético generado por un imán de barra. La separación entre estas líneas es inversamente proporcional a la densidad del flujo; es decir, cuanto más juntas están las líneas, mayor es la intensidad del campo magnético en esa región. En realidad, este fenómeno es tridimensional, y una representación más precisa mostraría el imán y las líneas de campo girando alrededor de su eje.

Figura : El campo magnético de la Tierra se asemeja aproximadamente al campo que rodea a un imán de barra. ¿Qué hace un magnetómetro?

Un compás tradicional funciona gracias a una aguja imantada que se alinea con el campo magnético terrestre. Un magnetómetro moderno, en cambio, mide la intensidad del campo magnético. Puede ser de tipo escalar (mide la magnitud total del campo) o vectorial (mide su dirección y fuerza en diferentes ejes).

Los magnetómetros en chip suelen ser vectoriales, con tres sensores montados ortogonalmente (en ángulos de 90 grados entre sí). Gracias a esta disposición y a software adecuado, el dispositivo puede detectar la dirección del norte o sur magnético, sin importar cómo se lo esté sosteniendo.

No hay símbolo esquemático estándar

Como ocurre con otros sensores modernos, los magnetómetros no tienen un símbolo eléctrico específico en los esquemas. Su representación depende del fabricante y del contexto del circuito.

Figura :

• Polo geográfico norte (North geographic pole)
• Polo geográfico sur (South geographic pole)
• Polo magnético norte (North magnetic pole)
• Polo magnético sur (South magnetic pole)
• Separación angular de 11° (11° angular separation)

Cuando se combinan en un solo paquete un magnetómetro, un giroscopio y un acelerómetro, se forma una Unidad de Medición Inercial (IMU). Este tipo de sensor es muy útil para aeronaves, drones, embarcaciones o satélites, especialmente cuando no se dispone de señal GPS.

• Giroscopio: mide velocidad angular, es decir, cuánto rota el dispositivo.

• Acelerómetro: mide aceleraciones lineales y la orientación respecto a la gravedad.

• Magnetómetro: indica la orientación respecto al campo magnético terrestre.

Los magnetómetros están presentes en celulares, relojes inteligentes, cámaras digitales, drones y compases electrónicos. En el ámbito educativo y de desarrollo, se ofrecen montados en placas de expansión, o breakout boards, como los basados en el sensor Honeywell HMC5883L, para facilitar su uso con microcontroladores.

Cómo funciona: Fundamentos del magnetismo

Un campo magnético se representa mediante líneas que indican su dirección y su intensidad (también llamada densidad de flujo magnético). Esta intensidad se representa con la letra B y se mide en teslas (T). En unidades más pequeñas, también se usa el gauss (G), donde 1 T = 10.000 G.

El campo magnético terrestre se genera por corrientes de convección en el núcleo externo de la Tierra. Su intensidad varía entre 25 y 65 microteslas, dependiendo del lugar. Aproximadamente, se puede pensar en la Tierra como un gran imán con polos magnéticos norte y sur.

En el ecuador, las líneas del campo magnético son más horizontales, y cerca de los polos, más verticales. A esta inclinación se la llama inclinación magnética. Algunos sistemas intentan usar estas variaciones para determinar la ubicación, aunque el GPS lo hace con mayor precisión.

Es importante notar que el polo magnético norte terrestre actúa como un polo sur, atrayendo el polo norte de una brújula. Este detalle puede generar confusión, pero es clave para entender la orientación real de los campos.

La Tierra gira sobre un eje geográfico que no coincide exactamente con el eje magnético. Esta diferencia angular se llama declinación magnética y varía según la ubicación del observador. Existen tablas oficiales que indican cuántos grados se deben sumar o restar a una lectura de brújula para determinar el norte geográfico real.

Figura : Las líneas rojas indican la dirección en la que una brújula probablemente apuntaría hacia el norte magnético. Las líneas verdes conectan los polos geográficos del planeta.

Figura : El rumbo es un ángulo que generalmente se calcula en relación con el norte geográfico, al que a veces se lo denomina "norte verdadero".

Otros tipos de magnetómetros

• Magnetómetro de bobina: se basa en la ley de Faraday. Si un campo magnético cambia cerca de una bobina, se induce una corriente. Puede usarse para detectar objetos enterrados o para medir campos desde una posición fija si la bobina gira.

• Efecto Hall: cuando una corriente atraviesa un conductor en presencia de un campo magnético, se genera una pequeña diferencia de voltaje transversal que puede medirse. Se utiliza en muchos sensores compactos.

• Magnetorresistencia: es el cambio en la resistencia de un material bajo un campo magnético. Aunque más preciso que el efecto Hall, tiende a ser más caro.

Los sensores están orientados en los ejes X, Y y Z y se montan en chips de tipo surface-mount. Son analógicos, pero incluyen un convertidor ADC (analógico-digital) para transformar las señales a valores binarios, que luego se almacenan en registros.

Cada eje tiene dos registros (alto y bajo). Aunque muchas veces estos son de 8 bits, el ADC interno puede ser de 10 a 13 bits. Los datos suelen ser accesibles mediante el protocolo I2C, muy común en microcontroladores como Arduino o ESP32.

1. Bias magnético (desvío):

   • Hard-iron bias: causado por materiales magnetizados dentro del dispositivo. Suele ser constante y se puede corregir fácilmente.
   • Soft-iron bias: más variable, generado por interacción del campo terrestre con materiales ferromagnéticos cercanos, como cables eléctricos o estructuras metálicas.

2. Errores de montaje:

   • Es crucial evitar colocar el sensor cerca de bobinas, transformadores, relés o incluso trazas de corriente en la placa de circuito. Estas pueden generar campos locales que afectan la medición.
   • Tampoco debe montarse dentro de cajas metálicas ferromagnéticas.

Términos destacados :

Los sensores magnéticos actuales son componentes de alta precisión, pequeños y eficientes, que permiten detectar orientación y dirección sin necesidad de GPS. Son esenciales en navegación, automatización y robótica, y su correcta integración en un diseño electrónico requiere conocer tanto el fenómeno físico como los posibles errores ambientales o de montaje.

En los últimos años, los sensores magnéticos basados en el campo magnético terrestre han experimentado avances significativos, mejorando su sensibilidad, precisión y aplicabilidad en diversos campos.

Uno de los desarrollos más notables es el uso de magnetómetros en la detección y prevención de terremotos. Estos dispositivos pueden registrar con gran precisión las fluctuaciones del campo magnético terrestre, permitiendo a los científicos monitorear cambios en la corteza terrestre y potencialmente identificar patrones que preceden a un sismo. Esta técnica se está implementando en regiones de alta actividad sísmica, como el Anillo de Fuego del Pacífico, combinando datos de magnetómetros con información de otros sensores para obtener una visión más completa de las condiciones previas a un terremoto.

En el ámbito de la medicina, se ha desarrollado un sensor magnético portátil capaz de detectar los campos magnéticos asociados a las pequeñas corrientes del cerebro. Este dispositivo utiliza una celda rellena de vapor de rubidio y puede detectar campos magnéticos tan pequeños como 70 femtoteslas, lo que lo hace adecuado para medir la actividad cerebral y potencialmente diagnosticar diversas condiciones neurológicas.

Además, investigadores han comprobado experimentalmente la existencia de un nuevo tipo de magnetismo denominado altermagnetismo. Este descubrimiento podría revolucionar la tecnología de almacenamiento de información y abrir nuevas posibilidades en el desarrollo de dispositivos espintrónicos, que aprovechan el espín de los electrones para procesar y almacenar datos de manera más eficiente.

En el campo de la navegación, los magnetómetros modernos miden con alta precisión la resistencia y la dirección del campo magnético terrestre, proporcionando datos valiosos para sistemas de navegación, especialmente en situaciones donde otras ayudas, como el GPS, pueden no estar disponibles o ser poco confiables. Estos sensores son esenciales para determinar con precisión la posición y el rumbo de aeronaves y embarcaciones.

Estos avances reflejan el continuo progreso en la tecnología de sensores magnéticos, ampliando su aplicabilidad y mejorando su desempeño en múltiples disciplinas.