Perdona la simplificación excesiva intencional de la ciencia. Como ejecutivo clave en un fabricante líder a nivel mundial, mi papel era comprender las fronteras de la tecnología y formular estrategias de I + D con equipos de ingeniería estelares dentro de mi empresa y algunas instituciones de investigación líderes en el mundo. Me voy a centrar en la importancia y las aplicaciones. Aquí va …
FUNDAMENTOS
Los circuitos electrónicos están compuestos de algunos componentes básicos:
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- Inductores (bobinas que crean campos magnéticos y almacenan / retrasan la corriente)
- Resistencias (materiales que retienen electrones)
- Condensadores (placas que crean campos eléctricos y almacenan electrones / voltaje)
- Transistores (dispositivos que regulan los flujos eléctricos)
- Interruptores (dispositivos que completan / rompen el circuito)
- Transductores (dispositivos que responden eléctricamente a fenómenos físicos
Un electroimán es fundamentalmente un inductor (así que ese es el elemento en la lista de este artículo). La versión popular del libro de ciencia de un electroimán es una “bobina” enrollada alrededor de un “núcleo” de metal magnetizable para crear un “electroimán” a escala macro. Es divertido conectarlo a una batería y ver qué tan fuerte atrae el electroimán a otros objetos metálicos magnetizables.
Así es como funciona: cuando los electrones pasan a lo largo de un cable, la corriente da lugar a un campo magnético alrededor del cable. El cable se enrolla en una hélice como un electroimán. Cada giro de la bobina aporta magnetismo en la misma dirección a lo largo del eje de la bobina. Por lo tanto, cada turno adicional aporta más magnetismo. (Por supuesto, la energía magnética no puede exceder la entrada de energía como electricidad).
Por el contrario, si un imán se mueve dentro de una bobina, crea una corriente eléctrica en el cable. En otras palabras, la electricidad y el magnetismo funcionan indistintamente. Coloque la bobina alrededor de un núcleo de metal y obtendrá un electroimán. Coloque la bobina alrededor de un imán en movimiento y obtendrá algo de electricidad.
Los inductores almacenan energía en un campo magnético. Una vez, cuando era niño, hice un electroimán enrollando un cable de electricista doméstico alrededor de un tornillo. ¡Lo enchufé a la pared! El interruptor principal de la casa se disparó de inmediato. Un amigo que estaba cerca dijo: “¡Oh, bien! ¡Brillaba!” Esto se debe a que la energía almacenada no puede cambiar entre los ciclos positivos y negativos que cambian rápidamente de la poderosa electricidad del hogar. Gran lección ¡Pero no intentes esto!
El punto más serio de hablar sobre la energía almacenada es que los inductores son útiles en los filtros electrónicos. Cuando una ola de electricidad entra en un inductor, almacena energía, y la energía sale del inductor más tarde a medida que la onda disminuye. Esto tiene un efecto de temporización en el circuito, que se puede utilizar para manipular qué frecuencias pueden pasar (entre otros usos inteligentes). Este “efecto de fase” afecta muchos diseños de circuitos siempre que intervienen componentes inductivos.
En un electroimán, el “núcleo” magnetizable (en efecto) concentra el campo magnético generado por la bobina. Más o menos enfoca el magnetismo.
Hay muchos materiales con propiedades magnéticas útiles. Algunos son imanes permanentes. Pero la mayoría de los inductores usan materiales que se magnetizan temporalmente. Los materiales clásicos incluyen hierro, níquel, cobalto y otros. Cuando la bobina eleva un campo magnético, hace que los dipolos (partes del material) se “alineen” magnéticamente para que el material en general exhiba un fenómeno magnético Norte-Sur.
Los materiales centrales (como hierro, níquel, etc.) se considerarían sustancias extrañas “contaminantes” en la mayoría de las fundiciones de chips. Por lo tanto, a diferencia de las resistencias, condensadores y transistores, no encontrará muchos inductores dentro de los chips. (Puede haber inductores débiles sin núcleos formados como trazos de alambre de circuito en forma de bobina). El área principal donde se construye un electroimán como un chip sería el chip de “cabeza de escritura” para una unidad de disco duro … construido en fábricas de chips dedicados destinados para procesar metales con núcleo magnético.
En realidad, cuando profundizas en la ciencia, es algo bastante fascinante. Los científicos descubrieron que los electrones llevan carga (¿no es sorprendente, verdad?) Y también “giran”. El giro electrónico es teóricamente responsable del magnetismo. La estructura cristalina de un material impacta si el material exhibe propiedades magnéticas, lo que a su vez se relaciona con los orbitales de electrones de los átomos. ¡Eso es mucha química!
Es cierto que me estoy saliendo de mi liga en este momento. Pero profundizando aún más en la ciencia, un fenómeno llamado magneto-resistencia subyace a la “cabeza lectora”. Este efecto de magneto-resistencia en la mecánica cuántica. Se forman capas de diferentes materiales en el chip de “cabeza lectora”, y las capas son tan delgadas que los efectos cuánticos provocan un cambio en la resistencia del chip en presencia de un campo magnético. Es realmente complicado. ¡Se dice que las capas tienen exactamente un átomo y medio de espesor! Más … o menos … y no funciona. (¿Medio átomo? Sí, los átomos pueden posicionarse para compensar a otros átomos de esa manera en una red cristalina).
El “cabezal de lectura” es un ejemplo de un transductor, e ilustra que hay un terreno común entre inductores y transductores en un nivel muy profundo de física, como los efectos de espín de electrones detrás de los cabezales de lectura y los inductores. (Los dispositivos previstos para la categoría de “transductores” de la lista anterior incluyen cosas como el “cabezal de lectura” que usa el efecto de resistencia magnética. O las captaciones de cristal de fonógrafo que usan el efecto piezoeléctrico, en el que el estrés mecánico en un cristal genera una señal. ventaja de los fenómenos físicos esotéricos).
Puede que aún se pregunte por qué mencioné el tema “cabeza lectora”. Hubo un tiempo en que los electroimanes se usaban como “cabezales de lectura”. (Recuerde, los roles pueden ser intercambiables: electricidad a magnetismo o magnetismo a electricidad). Pero ya no. Entonces esa es una aplicación para tachar la lista.
Otra razón es tener una excusa para señalar que el concepto más amplio de magnetismo tiene potencial para más importancia. Las virutas de hoy tienen rastros de alambre tan estrechos que parecen pequeñas bobinas de tostadora. Están en peligro de calentarse y quemarse. Eso es porque la microelectrónica de hoy transmite carga de electrones. Los investigadores han estado estudiando si la información de “giro” de electrones podría transmitirse a lo largo de microcircuitos de alguna manera. ¿Por qué? Porque “girar” no necesita transportar energía como “carga”. Por lo tanto, la electrónica basada en spin podría hacerse aún más pequeña y más densa con todo tipo de funciones. (Ha pasado algún tiempo desde que estuve expuesto a esta arena. Es claramente una frontera de ciencia básica que sería difícil lograr un gran avance). Puede convertirse en lo más importante para perpetuar la Ley de Moore de la cual nuestra economía ha dependido fundamentalmente para siempre. Incrementando la productividad.
APLICACIONES
Imanes (ver arriba).
Cabezales de escritura del disco duro (ver arriba).
Inductores en circuitos de filtro (ver arriba).
Sensores (vea la versión donde el núcleo es un imán en movimiento): ¿Quiere ver cuánto se mueve algo? Enganche el imán a él. Y haga que el imán pase dentro de una bobina. Esto está en todo tipo de cosas mecánicas. Incluso la idea básica detrás de los sensores de frenos antibloqueo.
Motores, generadores y alternadores: si observa un motor eléctrico, tiene electroimanes que se encienden y apagan inteligentemente en relación con los imanes permanentes. Cuando se aplica electricidad a uno de los electroimanes, está diseñado para una polaridad magnética que repele el electroimán del imán permanente que está pasando. (El polo norte de un imán repelerá el polo norte de otro imán). Por lo tanto, la electricidad se convierte en magnetismo, que se utiliza para crear movimiento. Un generador funciona al revés. El movimiento (al girar el generador) hace que los electroimanes pasen los imanes permanentes, lo que crea una corriente eléctrica. (Un alternador es una forma de generador).
Relés: los relés consisten en un interruptor que se activa o desactiva mediante un electroimán. Los contactos del interruptor de algunos relés en realidad también sirven como “núcleo” dentro de la bobina. Una tira de metal atrae a la otra tira de metal cuando están magnetizadas por una bobina y las tiras corren dentro de la bobina a lo largo del eje helicoidal de la bobina. Los micro-relés han sido inventados con pequeños electroimanes que atraen una placa de metal para efectuar un contacto.
Transformadores de potencia: los transformadores son en realidad estructuras en forma de electroimán en tándem. Hay un núcleo Dos bobinas se envuelven alrededor del núcleo típicamente para interconectar un sistema con otro sistema. (¡No diré “entrada” y “salida”, ya que generalmente es una calle de dos vías!) Una bobina está típicamente dentro de la otra bobina, pero se pueden compensar lado a lado. (Incluso cuando el núcleo tiene forma de anillo, las bobinas a cada lado del anillo están una al lado de la otra hasta donde corre el campo magnético).
Su experiencia cotidiana de los transformadores son las “verrugas de pared” de varios tamaños que usted llama la “fuente de alimentación” que acompaña a cada uno de sus diversos productos electrónicos. Pero también son los transformadores en postes telefónicos (o almohadillas o bajo tierra). Existen muchas variaciones en los transformadores de potencia con muchos nombres de subcategorías. Incluso se encuentran en cosas como televisores que generan voltajes realmente altos … por ejemplo, generalmente no se ve a su alrededor. Tales transformadores de potencia pueden ajustar los voltajes para un producto. Y “aíslan” el producto de la compañía eléctrica. La energía energiza una bobina produciendo energía de campo magnético captada por la segunda bobina. (¡Los electrones en sí mismos no se mezclan entre su producto y la compañía eléctrica!)
Transformadores de señal: al igual que las líneas eléctricas, las líneas de telecomunicaciones pueden transmitir sobrecargas repentinas de energía porque son como antenas sometidas a cosas como rayos de luz. Los productos de red y módems (sí, sé que están obsoletos) tienen transformadores de señal, por ejemplo. Estos fueron los componentes electrónicos inductivos de finura real porque requerían un diseño de precisión para no dañar los datos debido a la distorsión y los efectos de filtrado.
RESUMEN
Solo se pueden detallar algunas clasificaciones de aplicaciones. La mayoría de los inductores (incluidos los electroimanes) se producen a escala electromecánica. Como tal, existe una multitud de productos en cada aplicación, mucho menos en las diversas áreas de aplicación.
Solo las aplicaciones raras (cabezales de lectura y posiblemente algunas aplicaciones de señal / filtro) se pueden producir en forma de chip debido a los niveles de energía transmitidos.
Entonces, a excepción de los nichos raros (la delicadeza de las aplicaciones de señal y los métodos microelectrónicos raros), la industria está muy fragmentada y competitiva. Los métodos de escala electromecánica son muy maduros (desde la época de Faraday), por lo que no hay espacio para costos excesivos. Cada aplicación específica diferente dicta una geometría específica, lo que implica un diseño de producto diferente para optimizar el costo. (Como una amplia generalización, por supuesto).
