Motor piezomagnético
Sabemos que el cambio de temperatura hace tiempo que los sólidos se alargan y se contraen. Por ejemplo, los aros de hierro de la rueda del carro, una vez que se han colocado tras abrirlos calentados y después de contraerlos enfriados, han quedado apretados y pegados a la madera. También en mecánica, para encajar ciertas piezas con ajuste de apriete, primero se calienta y se expande, luego se enfría y contrae quedando fijo encajado.
En estos sólidos, las dilataciones y contracciones no sólo se producen cambiando la temperatura. Incluso cambiando la corriente eléctrica del sólido o el campo magnético, se modifican sus dimensiones, provocando en él fuerzas enormes. Una gran ventaja de estos cambios dimensionales es que, a diferencia de lo que ocurre en la expansión térmica, se producen rápidamente en un pequeño segundo. Calentando y enfriando el aro de la rueda del carro no se puede cambiar de dimensión por ejemplo veinte veces, pero sí cambiando el campo eléctrico o magnético. Gracias a ello, la pieza metálica ejerce una gran fuerza en la apertura y contracción, aunque el tamaño de la amplitud o cambio de dimensión sea muy reducido.
El hecho de que la amplitud sea muy pequeña ha sido hasta ahora el principal obstáculo, por lo que los primeros motores que utilizan estos efectos han aparecido recientemente, concretamente los transductores sonoros.
Evolución de la magnetostricación
En este tipo de efectos la primera explotación ha sido la piezoelectricidad. Al pasar la corriente eléctrica por el interior, a unos cristales (por ejemplo, cuarzo) se les estira un lado y el otro se contrae, sin variar el volumen. Sin embargo, se produce de media, es decir, mediante la presión o el alargamiento del cristal se genera corriente eléctrica. Este fenómeno fue descubierto por el Sr. Curie en 1880.
La magnetostricción, cuyo efecto lineal se conoce como piezomagnetismo, fue descubierto en 1837. A los elementos que se pueden imantar como hierro, níquel o cobalto, cuando están en campo magnético variable las dimensiones cambian. Al igual que ocurrió con la corriente eléctrica, el volumen no varía, a excepción de las zonas de muy alta intensidad.
Utilizando corrientes alternas existen dos campos variables: el campo eléctrico variable y el campo magnético variable que genera. Los efectos piezoeléctricos y piezomagnéticos se unen, dando lugar a cambios de dimensión periódicos o vibraciones. Este efecto se ha aprovechado para emitir ondas sonoras, sobre todo para la detección subacuática.
El piezomagnetismo se utilizó en la última Guerra Mundial, pero fue abandonado lentamente en beneficio de la piezoelectricidad. Y es que gracias a las cerámicas era capaz de proporcionar mayores potencias. Por otro lado, la corriente eléctrica es más manejable que el campo magnético, por lo que la magnetostricción quedó al margen.
En la década de 1960 se descubrieron algunas características de las tierras raras y se observó que los samarios, terbios, disprosiones y otros elementos químicos producían efectos piezomagnéticos de gran amplitud. (La barra del metro de hierro, por ejemplo, en grandes campos magnéticos se estira dos centésimas de milímetro y la barra del metro de aleaciones más o menos cien veces) Para ello se necesitaban temperaturas muy bajas. Sin embargo, como se ha visto, aleando estos elementos con hierro, los efectos de magnetostricación de gran amplitud se obtenían a temperatura ambiente, pero para ello se necesitaban campos magnéticos de gran intensidad.
Posteriormente, en 1974, la Naval Ordnance Laboratory de Norteamérica obtuvo una aleación de terbio, disprosión y hierro de tres elementos (Terfenol-D), por utilizar campos magnéticos fácilmente accesibles mediante electroimanes. La barra de metro se alarga 2,4 mm, lo que permite su explotación en los mecanismos clásicos.
Magnetostricción actual
A partir de ahí se han podido encontrar muchas aplicaciones a la magnetostricación. Válido para transductores de sonido, motores, válvulas, inyectoras de motores diesel, etc.
Los estudios de aplicación se han centrado principalmente en Estados Unidos y Japón, pero también en los laboratorios europeos están preocupados por el fenómeno. De hecho, hay material para la magnetostricación de gran amplitud. Comparativamente, si la barra del metro de aluminio se calienta de 0 a 100 (C) se estira 2,4 mm, y la barra del metro de material Terfenol-D se estira lo mismo.
Sin embargo, su fuerza no es despreciable. Las fuerzas piezoeléctricas son entre 10 y 20 veces mayores que las fuerzas magnéticas de atracción que actúan en motores y serbomecanismos convencionales, y entre 20 y 50 veces las fuerzas piezomagnéticas. Las fuerzas piezomagnéticas se asemejan a las de expansión térmica, unas 25.000 N/cm 2. ¡Eso significa que la barra cuadrada de centímetros gruesos levantaría una masa de 2,5 toneladas! Además, no hay que olvidar que esta fuerza es muy rápida.
Aplicaciones del piezomagnetismo
Una aplicación de este efecto es la obtención de vibraciones mecánicas de gran potencia a partir de corrientes alternas. De entre 3 y 10 veces más efecto que lo conseguido hasta ahora con piezoelectricidad, puede ser el producido en transductores acústicos por piezomagnetismo, es decir, en altavoces especiales de sonido simple e intensidad. Se utilizan principalmente para la detección submarina. De hecho, el desplazamiento del agua es mucho más complicado que el desplazamiento del aire y se necesitan fuertes emisores acústicos para hacer oscilar grandes masas líquidas en aguas profundas. Cuanto menor es la frecuencia de las ondas, más útil es la magnetostricción para realizar este tipo de sonares.
Esta gran fuerza de oscilación, sin embargo, se puede utilizar en otras aplicaciones: electroválvulas, muelles de elasticidad controlada, agujas inyectoras de motores diesel y, en general, en cualquier mecanismo que requiera un desplazamiento reducido y una gran fuerza.
Motor piezoeléctrico
Por ello, una de las aplicaciones más interesantes es convertir la vibración en movimiento circular. En este caso el giro será muy lento, pero el par de fuerza es muy grande. Un obstáculo en los motores eléctricos clásicos es que a velocidades bajas también hay un momento pequeño. Sin embargo, es mucho mayor que el motor más térmico (que funciona con pistón o turbina), en el que a velocidades angulares bajas (cuando giran muy despacio) es casi cero.
Cuando en la práctica se requiere una baja velocidad y un gran momento del par de fuerza, es necesario intercalar engranajes reductores o transmisión de motores hidráulicos de alta presión. Esto es visible en muchas máquinas de obras.
La vibración propiamente dicha es un movimiento rápido de baja amplitud hacia adelante, y la transformación en movimiento de giro tiene sus problemas. Para convertir el movimiento lineal en movimiento de giro se utiliza el mecanismo biela/manivela, pero a partir de cierto tamaño no se ha conseguido la miniaturización. Por ello, en Japón varias casas (NEC, Hitachi, Shinsei, etc.) han fabricado motores con anillos cerámicos piezoeléctricos.
El anillo cerámico piezoeléctrico comienza a oscilar debido a la corriente alterna. Cada punto del anillo describe la elipse (ver figura) y parece que hay una onda girando en el anillo. Sobre él gira el plato que toca el anillo, accionado por esa onda.
En la actualidad, los motores piezoeléctricos se utilizan para la limpieza del vidrio delantero en los zoomes de los camócopios (Japón), relojes (Suiza) o automóviles (Alemania). No hay que olvidar que los motores piezoeléctricos pueden ser también lineales.
Motor piezomagnético
En Alemania también se ha desarrollado un motor piezomagnético. En esta ocasión el movimiento se produce como las orugas. Apoyamos, estiramos y agarramos con las piernas delanteras. Después se sueltan las patas traseras, se contraen y se retoma el ciclo apoyándolas más adelante.
La magnetostricación produce fuerzas enormes de bajo desplazamiento. El mecanismo se asemeja a un par de frenos en disco unido a la barra de Terfenol. El funcionamiento se muestra en la figura adjunta.
El mecanismo se puede aplicar al círculo o pieza recta. Se puede obtener el motor de giro o el motor lineal. Además, dado que las fuerzas que genera la magnetostricción son muy grandes, dependiendo de si se envía o no la corriente puede ser motor o freno. Esto no ocurre en los motores convencionales. Esto se debe a que una vez que se ha dejado de enviar la corriente, no ponen obstáculos al movimiento, y en algunos casos (por ejemplo, para que no se caiga una vez que la carga sube y se detiene) es necesario poner compactos y mecanismos similares. La presencia de velocidades de giro muy bajas en los motores piezomagnéticos permite su utilización como posicionador en máquinas herramientas.
El giro no es continuo sino discontinuo. Por ello, el motor puede quedarse en el momento que se desee, quedando fijo el eje en ese mismo punto.
Por otro lado, en la magnetostricación, el tiempo de respuesta es menor que el de la milésima parte del segundo y algunos investigadores quieren aprovecharlo para compensar las deformaciones del material pesado, eliminar las vibraciones nocivas, etc.
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