Magnetómetros de Saturación

  Más o menos durante la II Guerra Mundial se comenzaron a usar los instrumentos electrónicos. Un tipo, aún muy usado, es el llamado magnetómetro de saturación ("Fluxgate magnetometer"), basado en la saturación de materiales magnéticos.

  Un electroimán típico, como los que se usan en los relés o en mecánica, tiene un núcleo de hierro a cuyo alrededor va una bobina que transporta la corriente. El campo magnético de la bobina se incrementa grandemente por el hierro, debido a que los átomos de hiero (o el orden de estos átomos alineados en cristales) son magnéticos.

  En el hierro común, los ejes magnéticos de sus átomos apuntan en direcciones aleatorias y la suma de sus campos magnéticos es casi cero. Cuando circula la corriente en la bobina, su campo magnético alinea los ejes magnéticos de los átomos del núcleo y suman su magnetismo al creado solo por la corriente eléctrica, haciéndolo mucho más potente .

  Pero existe un límite obvio en el proceso: cuando todos los átomos están alineados, una condición conocida como saturación magnética del hierro, el núcleo de hierro no puede ayudar más. Si incrementamos adicionalmente la corriente en la bobina, el campo magnético solo se incrementa en la cantidad debida a la propia corriente eléctrica, sin ninguna contribución del núcleo. 

  Existen materiales--ciertas ferritas--en donde ocurre la saturación de forma abrupta y completa, a un nivel estable definido. Si se envía a través de la bobina enrollada alrededor de un núcleo de ese material una corriente alternante lo suficientemente grande, la polaridad magnética del núcleo oscila atrás y adelante, y surge la saturación en cada mitad de ciclo de forma simétrica.

   Pero, sin embargo, si un electroimán está emplazado en un campo magnético ya existente, dirigido (total o parcialmente) a lo largo del eje del núcleo de ferrita, se altera esa simetría. En la mitad del ciclo en el que el campo de la bobina se suma a la magnetización ya existente, se consigue la saturación un poco antes, porque depende de la intensidad magnética total, la externa más la de la bobina. En la otra mitad del ciclo, en que la magnetización debida a la bobina es contraria a la del campo existente, ocurre un poco más tarde, debido a que la suma de las dos es algo más débil que únicamente el campo de la bobina. Esa asimetría se puede detectar electrónicamente, y este es el principio de operación del magnetómetro de saturación.

   No parece de un efecto delicado--pero se puede hacer muy sensible mediante varios trucos (p.e. sustituyendo los núcleos magnéticos de barra por anillos). La intensidad típica del campo magnético cercano a la superficie de la Tierra es de 50.000 nanoteslas (nT), mientras que el magnetómetro de saturación abordo del Voyager 2 observó, con buena precisión, el campo magnético interplanetario cerca de Urano o Neptuno, típicamente 100.000 veces más débil. Abordo el instrumento está fijado al final de un largo brazo, manteniéndolo lejos de las interferencias magnéticas de las corrientes abordo de la nave. Aunque esas corrientes son muy débiles, crean un campo magnético suficiente como para perturbar las lecturas del sensible magnetómetro.

   Estos instrumentos deben de calibrarse por medio de los campos magnéticos conocidos de una bobina o de alguna otra forma. También existen otros tipos de instrumentos electrónicos, p.e. los que se basan en las propiedades ópticas de ciertos vapores metálicos, pero están fuera del alcance de esta rápida visión general. Otro tipo es el magnetómetro de precesión protónica, descrita brevemente en el  plan de lección  del curso web "De Astrónomos a Astronaves" e implica el proceso de precesión. Es la base de la "resonancia magnética", un sistema médico para la visión de los órganos internos "blandos", que no se pueden observar por medio de los rayos X, sin el daño radiactivo que causan los rayos x.
 

Un estudio sobre el efecto del Fumar realizado con el Magnetómetro 

   Quizá el uso más notable de este instrumento es en los experimentos médicos del Dr. David Cohen en el Instituto de Tecnología de Massachussetts (MIT). El laboratorio de Cohen está revestido con bobinas cuyas corrientes anulan la mayoría del campo magnético exterior. Dentro del laboratorio construyó una pequeña habitación que protege de cualquier resto de influencia magnética. Tiene cinco juegos de paredes una dentro de la otra, parecido a las muñecas matrioshka rusas, separadas por capas alternas de hierro (para mantener fuera campos magnéticos constantes) y aluminio (para proteger contra las fluctuaciones electromagnéticas). 

  No alcanza el interior de la habitación ningún campo magnético detectable y se pueden llevar a cabo allí observaciones magnéticas extremadamente sensibles. Allí experimentó Cohen con las señales magnéticas del corazón y del cerebro, pero su resultado más plausible, publicado en 1979, fue el concerniente a los pulmones humanos. Las vías de aire en el cuerpo humano están revestidas con cilios como cabellos, ondeando constantemente adelante y atrás y eliminando así lentamente cualquier suciedad o resto depositado en ellos (Cohen los llamó "alfombra en movimiento"). Para detectar de esta forma como se limpian los pulmones, Cohen dispuso de una docena de voluntarios que inhalaron pequeñas cantidades de polvo de óxido de hierro, que es inocuo y se puede magnetizar. 

  A lo largo del año que siguió midió periódicamente la cantidad de polvo remanente en sus pulmones de la forma siguiente. Primero cada sujeto se colocaba entre un par de bobinas, por las que se hacía pasar brevemente una fuerte corriente. Esta magnetizaba los granos de polvo dentro de los pulmones y los alineaba entre si; como los granos perdían gradualmente su alineamiento, necesitaban ser remagnetizados cada visita. Los individuos subían a la habitación protegida, donde se medía la fuerza de la magnetización de sus pulmones.

   Durante el año de observaciones la cantidad de polvo descendía constantemente en todos los individuos, primero abruptamente y luego más gradualmente, finalizando a un 10 % del nivel inicial. Esto mostró que los pulmones limpian los restos bastante eficientemente. La sorpresa vino de 3 individuos adicionales, agregados más tarde, todos ellos grandes fumadores. Sus pulmones se limpiaban mucho más lentamente, y después de un año,  aún permanecía en su interior aproximadamente el 50% del polvo.

  Cohen sacó en conclusión que el fumar mucho no solo depositaba alquitrán en los pulmones, sino que también dañaba su capacidad de autolimpiarse. Supuso que esto podía explicar el porque una combinación de fumar y exposición al amianto se asociaba al cáncer de pulmón mucho más frecuentemente de lo que se podía esperar simplemente juntando los efectos de fumar y el amianto por separado. No solo el amianto provoca cáncer, sino que el alquitrán y el humo del tabaco entorpecían el proceso natural mediante el que los pulmones se limpiaban.
 
 

Lecturas Adicionales

Para lectores con conocimientos técnicos: A History of Vector Magnetometry in Space de Robert C. Snare, Institute of Geophysics and Planetary Physics, UCLA.

 Ness, Norman F., Magnetometers for space research, Space Sci. Rev.,11, 459-554, 1970 

           Cronología del geomagnetismo
 

Índice del Sitio Web                 Glosario