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TEMAS SELECTOS DE FÍSICA
FACULTAD DE IGEIERÍA MECÁICA Y ELÉCTRICA
MATERIA: TEMAS SELECTOS DE FÍSICA
TEMA 2:
2. La conservación y la transmisión de la información.
2.1 Conservación de la información.
2.1.1 Métodos magnéticos.
2.1.2 Métodos ópticos. El disco compacto(CD). Holografía. Láser.
2.2 Transmisión de la información.
2.2.1 Ondas electromagnéticas. Modulación.
2.2.2 Las fibras ópticas y las comunicaciones.
Una de las principales tareas que ha tenido la humanidad desde sus inicios es la
conservación y trasmisión de la información. En este tema trataremos de este aspecto y de
algunos de los métodos modernos que se utilizan para resolverla. Recordemos la
importancia que tiene que el hombre pueda guardar y conservar la información que posee
tanto para su procesamiento como para su utilización posterior. ¿Puede mencionar algún
método utilizado para guardar información?.
En la primera parte del tema trataremos sobre la conservación de la información estudiando
dos métodos generales: los métodos magnéticos y los métodos ópticos.
MÉTODOS MAGNÉTICOS.
Todos conocemos dispositivos que utilizan métodos magnéticos para conservar
información. ¿Puede mencionar algún dispositivo que utilice métodos magnéticos de
conservar información?.
Seguramente los más mencionados fueron los discos de las computadoras, pero recordemos
que también las cintas de las grabadoras de música o los cassetes de video utilizan los
mismos métodos magnéticos.
Todos estos dispositivos se basan en el comportamiento de algunos materiales en presencia
de campos magnéticos. Por ello para comprender cómo funcionan los mismos estudiaremos
las características de este comportamiento para materiales en general.
Comportamiento de los materiales en presencia de campos magnéticos.
Sabemos que un material cualquiera está compuesto de átomos. Cada átomo puede
considerarse formado por electrones que recorren órbitas alrededor de un núcleo, cargado
positivamente. Como consecuencia de su movimiento estos electrones producen un campo
magnético interno, que a su vez es consecuencia del momento propio de la cantidad de
movimiento de cada electrón o espín. Así que los materiales producen ciertos campos
magnéticos, similares a los campos producidos por espiras o alambres por los que circula
corriente eléctrica. Cuando un determinado material se coloca en un campo magnético
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externo su comportamiento queda determinado por la interacción entre los campos de sus
átomos y el campo externo.
Cada átomo, producto del movimiento de sus electrones, puede poseer un momento
magnético que llamaremos mi Si hay N átomos en un volumen V, podemos definir un
vector magnetización M de la siguiente forma:
#
M=
∑ mi
1
V
O sea es el momento magnético por unidad de volumen. Sus unidades son amperes/metro
(A/m).
En general describimos el campo magnético por medio de dos magnitudes:
B: inducción magnética, que nos da una idea del campo magnético total existente en un
punto del espacio.
H: intensidad del campo que nos da una medida del campo magnético producido por
corrientes reales y no por los efectos del material que exista en esa región.
En general puede plantearse que:
B = µ0 ( H + M )
donde µ 0 es la llamada permeabilidad del vacío o espacio libre con un valor de:
µ0 = 4π x 10-7 Henry/metro (H/m)
La relación escrita es válida para cualquier material, sea lineal o no. De aquí en adelante las
relaciones escritas son esencialmente válidas para materiales lineales, para los cuales M
varía linealmente con H, o sea:
M = χmH
χ m es la susceptibilidad magnética del medio o cuán susceptible (o sensible) es el material
al campo magnético externo. Sustituyendo en la ecuación anterior obtenemos:
B = µ 0 (1 + χ m ) H
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Se introduce una nueva magnitud que llamaremos permeabilidad relativa del material (o
constante magnética del material) de la forma:
µr = 1 + χ m =
µ
µ0
Esta es una cantidad adimensional y se define como la razón de la permeabilidad del
material µ a la del vacío µ0.
Las relaciones escritas son sólo válidas para materiales lineales e isótropos.
CLASIFICACIÓN DE MATERIALES MAGNÉTICOS.
En general podemos usar la susceptibilidad magnética χm o la permeabilidad relativa µr
para clasificar los materiales.
Se dice que un material es no magnético si χm= 0 (µr = 1) siendo este el caso del vacío.
Los materiales más comunes se clasifican en:
Materiales magnéticos
lineales
Diamagnéticos
χm< 0 (µr <~ 1)
No lineales
Paramagnéticos
χm> 0 (µr >~ 1)
Ferromagnéticos
χm>> 0 (µr >> 1)
Los nombres de diamagnético y paramagnético provienen de los primeros experimentos
que se realizaron sobre estos comportamientos. Si se coloca una barra de material
diamagnético en un campo magnético la barra se orienta perpendicular a las líneas del
campo magnético. El prefijo griego dia- significa “a través”. Una barra paramagnético se
orienta con el campo magnético y el prefijo para- significa “junto a”.
Los materiales diamagnéticos al ser introducidos en un campo magnético disminuyen un
poco el valor de la inducción de este campo magnético (por ello µr <~ 1 para estos
materiales) . Esto se debe a que en los átomos de estos materiales no existe momento
magnético y se genera una corriente que se opone al campo externo. El efecto en general es
muy pequeño lo cual puede verse de los siguientes valores:
Agua
µr = 0.9999912
Bismuto
µr = 0.99984
Plata
µr = 0.999975
Los paramagnéticos son materiales que tienen átomos con un pequeño momento magnético
en ausencia de campos externos, pero orientados en forma aleatoria, por lo que la
magnetización es cero. Al introducirlo en un campo magnético externo los momentos de los
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átomos se alinean con el campo por lo que aumenta ligeramente este campo (por ello µr >~
1). Ejemplos de materiales paramagnéticos son:
Aire
µr = 1.00000036
Aluminio
µr = 1.000021
Los materiales más importantes para ingeniería eléctrica son los ferromagnéticos. Ferro
proviene del término latín ferrum (hierro) que fue el primer material que mostró estas
características. Son materiales cuyos átomos presentan un momento magnético muy alto y
además con una estructura cristalina que provoca una fuerte interacción entre los momentos
magnéticos de átomos vecinos. A causa de ello se forma grupos de átomos (1012 – 1015
átomos) que tiene alineados los momentos en una misma dirección. A estos grupos se les
conoce con el nombre de dominios magnéticos. El tamaño de estos dominios varía según el
material. En el hierro las dimensiones lineales de los dominios en condiciones normales
puede ser de 10-5 m pero en otros materiales pueden alcanzar hasta milímetros de
dimensiones. En un pedazo de hierro natural los dominios magnéticos están orientados al
azar de manera que el momento magnético total del pedazo es cero. Al introducir este
pedazo en un campo magnético externo los dominios se orientan según el campo externo de
manera que pasado un tiempo todo el pedazo de hierro exhibe un momento magnético
orientado según el campo externo.
Los imanes son sustancias que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de
atraer al hierro. La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto,
fundamentalmente, de óxido de hierro (Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierro
sometiéndolo a un campo magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica. El
hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se convierte en un imán artificial
que pierde su magnetismo cuando deja de estar en contacto con el primer imán (o, como en
el caso de un electroimán, cuando deja de pasar la corriente eléctrica por el arrollamiento
conductor). El acero imanado es un imán artificial permanente porque sí conserva su
magnetismo.
Ejemplos de materiales ferromagnéticos son: el cobalto, el níquel y algunas aleaciones.
Características generales de los materiales ferromagnéticos son:
1) Se les puede provocar un estado de magnetización muy intensa con ayuda de un
campo magnético externo.
2) Al retirarlos del campo pueden conservar una parte considerable de su
magnetización (memoria magnética).
3) Pierden sus propiedades ferromagnéticas y se convierten en materiales
paramagnéticos al elevar su temperatura por encima de cierta valor conocido con el
nombre de Temperatura de Curie. (para el hierro 770° C).
4) Son no lineales es decir la relación B = µ0µrH no es válida para los materiales
ferromagnéticos porque µr depende de B y no se puede dar un valor único. Los
valores que se dan en las tablas son solo valores típicos.
Ejemplos:
Cobalto
Níquel
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µr = 250
µr = 600
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Acero suave (0.2 C)
Hierro(0.2 impurezas)
Hierro purificado
Superalloy (5 Mo, 79 Ni)
µr = 2 000
µr = 5 000
µr = 200 000
µr = 1 000 000
Otra clase de materiales menos frecuentes son los antiferromagnéticos en los cuales los
momentos magnéticos de átomos o moléculas vecinas se orientan en forma antiparalela, por
lo cual el momento magnético neto es cero. Ejemplos de estos materiales son el FeO, el
CuCl2 y el FeF2 que en general se emplean poco. Una subclase de estos materiales son las
ferritas (NiO – Fe2O3) en las cuales los momentos magnéticos de átomos vecinos no son
exactamente iguales y por ello tiene un momento magnético neto no cero. Por tener muy
baja conductividad eléctrica algunos de estos materiales son muy aplicados en corrientes
alternas de alta frecuencia debido a sus pocas pérdidas por efecto de calentamiento, por
ejemplo en antenas y núcleos de inductores.
PREGUNTAS:
1) Se sabe que un material posee átomos que no tienen momento magnético propio.
¿Podría decir qué tipo de material será este desde el puno de vista magnético?.
Explique.
2) Si un cuerpo paramagnético se sitúa cerca de un fuerte imán permanente, ¿será
repelido o atraído por el imán?. Explique.
3) ¿Qué materiales se utilizan para fabricar imanes permanentes?. ¿Por qué?.
4) Explique cuales de las siguientes afirmaciones son válidas y cuáles no para
materiales ferromagnéticos:
a. Tienen una susceptibilidad magnética grande.
b. Tienen un valor de permeabilidad magnética relativa fijo.
c. Por encima de la temperatura de Curie pierden sus propiedades
ferromagnéticas.
d. Casi no se utilizan en la práctica.
5) Represente en un diagrama aproximado, cómo se vería un material ferromagnético
que no ha sido sometido a la acción de un campo magnético, si pudiéramos observar
la estructura de los dominios magnéticos.
6) En un horno a alta temperatura se cae un cuerpo de hierro. Alguien propone utilizar
un imán para extraerlo, pero cando se introduce el imán de hierro no atrae al cuerpo
que están dentro del horno. Cuando sacaron el imán resultó que había perdido sus
propiedades y ya no atraía los pedazos de hierro. ¿Puede explicar qué ocurrió?.
7) ¿Qué es la histéresis magnética?. ¿Qué materiales son los que presentan este
comportamiento?.
8) Describe que entiende por ferromagnético duro y ferromagnético blando.
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PARTE 2
CONSERVACIÓN DE INFORMACIÓN.
Los materiales magnéticos se emplearon para guardar datos desde que se inventó la primera
computadora. Al principio las memorias eran pequeños núcleos ferromagnéticos toroidales
dispuestos en arreglos bidimensionales, donde se almacenaba la información.
El disco duro y los floppy disks son también memorias magnéticas. Puede escribirse en
ellos magnetizando una pequeña parte de su superficie y se puede leer de él induciendo un
voltaje en una espira pequeña que se mueve muy cerca del elemento superficial del disco
magnetizado. Al perfeccionarse la tecnología ha aumentado rápidamente la cantidad de
información que puede almacenarse en un disco duro tamaño estándar. Entre 1995 y 1997
la capacidad estándar de los discos duros de las nuevas computadoras creció de unos
cuantos megabytes a más de 2 gigabytes.
El disco duro está revestido con un recubrimiento delgado de material ferromagnético como
el Fe2O3 quedando el disco organizado en sectores y pistas.
SECTOR
PISTA
La cabeza magnética es el dispositivo que escribe los datos en el disco y los extrae de él.
Las cabezas pueden ser de diversas formas pero todas trabajan bajo el mismo principio. La
cabeza está constituida por un circuito magnético con una hendidura. Debido a que se
encuentra muy cerca de la superficie del disco parte del flujo magnético generado en la
cabeza llega al disco. En el proceso de escritura una corriente eléctrica fluye por el
devanado de la cabeza magnética creando un campo magnético en la hendidura, que mide
apenas unos 5 µm. Al desplazarse la cabeza por la pista el campo magnetiza una pequeña
porción de la pista, produciendo un polo norte y uno sur en dirección de la rotación. Estos
pequeños imanes miden aproximadamente 5 µm de largo por unos 25 µm de ancho. Un
parámetro muy importante es la altura de la cabeza sobre la pista; no puede golpearla pero
debe estar lo más cerca para maximizar el flujo que magnetiza la pista. Por lo regular la
superficie de la cabeza es plana de alrededor de varios µm y la cabeza se encuentra a una
distancia aproximada de 1 µm o menos por encima de la pista.
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PISTA
CABEZA
Durante el proceso de lectura no fluye corriente por los devanados de la cabeza magnética.
La magnetización residual en la cabeza debe ser lo más pequeña posible para que no
influya en los datos leídos, por lo que el material de la cabeza debe desmagnetizarse cuando
deje de circular corriente por el devanado. Ahora al pasar la pista magnética cerca de la
cabeza debe inducir un voltaje en los extremos del devanado, debido a las variaciones del
flujo magnético al cambiar la orientación de la magnetización de la pista. El voltaje más
alto se genera cuando los campos magnéticos modifican su dirección, o sea en las fronteras
entre dos imanes vecinos. Así se produce pulsos positivos y negativos en el devanado que
constituyen los datos conservados en la pista. El voltaje generado es proporcional al flujo
magnético remanente en la pista por lo que el material de la misma debe tener la propiedad
de mantener la orientación de la magnetización durante mucho tiempo.
La rotación del disco es a alta velocidad de alrededor de 3 000 pulgadas por segundo (170
mph o 272 km/h) comparada con la de una cinta magnética que es de alrededor de 2
pulgadas por segundo. Esta velocidad es la que permite que la lectura de datos sea rápida
así tiempos de respuesta de 10 o 20 milisegundos son comunes, pudiendo leer entre 5 y 40
megabytes por segundo.
PREGUNTAS:
1) ¿Cuáles propiedades de los materiales magnéticos se aplican a las pistas y en las
cabezas de un disco duro?.
2) Si suponemos que un 1 es un pequeño imán grabado en la pista con una orientación
N-S de izquierda a derecha y un 0 es un pequeño imán con una orientación
contraria, ¿cómo sería la forma del voltaje generado en la cabeza de lectura al pasar
una cadena de datos igual a 110 por la misma?.
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