Tangana electromagnética.

Extraño título, ¿verdad? Para los lectores del blog de otros países donde no se si se usa la palabra tangana, y sobre todo para los que lo leen con traductores, aclaro que el termino tangana se usa aquí para referirse a una discusión acalorada entre dos grupos de personas, muy habitual por ejemplo en partidos de fútbol u otros deportes donde a veces los jugadores se enzarzan en peleas con insultos gritos y muchas veces patadas y puñetazos.

Yo lo utilizo aquí, en sentido figurado, refiriéndome a que a veces en los foros de Internet, se suscitan discusiones y controversias, que a veces suben un poco de tono, lanzándose descalificaciones entre los participantes, y provocando a veces la intervención de varios compañeros en defensa de una u otra postura.

A mi, en principio, no me parece mal la discusión; de hecho la esencia de un foro (de cualquier tipo de foro, desde el Foro Romano a Internet) es la discusión y el contraste de opiniones, siempre naturalmente que no se pierda la educación, y siempre que las afirmaciones que se hagan se argumenten razonablemente y no se traten de imponer "porque si"

Viene esto a cuento, de que en uno de los foros en que participo habitualmente, Plataforma-N, se suscitó hace poco una discusión sobre como funcionan los motores de bobinas de los desvíos. La verdad es que el hilo a que me refiero, resultó un poco caótico, porque empezó con un tema trivial, pasó por los sistemas de suprimir uno de los cables de mando de los desvíos, y acabó con una discusión en la que me vi directamente involucrado, acerca del funcionamiento de los motores electromagnéticos de los desvíos.

Como ya he comentado aquí, el tema del funcionamiento de los desvíos es complicado, prueba de ello es que el artículo que trata de ese tema, y que escribí en Octubre de 2011, sigue siendo el más leído de este foro, con cerca de 6000 páginas vistas a día de hoy. A mi me sorprende muchas veces comprobar que hay muchísimos aficionados que están convencidos de que los motores de bobinas de los desvíos sólo funcionan con corriente alterna, cuando la verdad es que funcionan igual de bien, o realmente mejor con corriente continua. Naturalmente a estas personas se les descolocan los papeles cuando ven un esquema de manejo de desvíos que incluye diodos, porque en este caso la corriente sería continua, o al menos rectificada, y eso más o menos fue lo que dio lugar a la discusión del foro de Plataforma-N

Esto me ha animado a escribir este artículo en el que voy a tratar de explicar con una cierta profundidad cómo es el funcionamiento de estos motores de doble bobina, En la imagen de la derecha, podemos ver, en la parte superior el interior de uno de estos motores (un modelo de Märklin para H0) y destacan claramente dos bobinas de hilo de cobre. También vemos, saliendo por la derecha, la pieza de plástico que actúa sobre los espadines del desvío.

Debajo hemos dibujado esquemáticamente las dos bobinas, y vemos que interiormente hay un núcleo de material ferromagnético representado por un rectángulo negro, que se puede mover a lo largo del eje, para situarse, centrado en una u otra bobina. Unido a ese núcleo tenemos una pieza de material no magnético dibujado en amarillo en el esquema y que sería la pieza de plástico que vemos en la imagen superior asomando por la derecha para mover los espadines.

Por lo tanto está claro que si hacemos que se mueva el núcleo ferromagnético a una u otra posición, conseguiremos que el desvío se mueva. La forma de hacer que ese núcleo se mueva es hacer circular una corriente por una de las dos bobinas. Si hacemos circular corriente por la bobina 1, el núcleo se mueve hasta situarse en el centro de la bobina 1 (posición A en la figura) , y ahí permanece aunque cese la corriente, puesto que no hay nada que lo haga moverse de esa posición. Cuando hacemos circular corriente por la bobina 2, el núcleo se mueve hasta situarse en el centro de la bobina 2, y de nuevo permanece en esa posición indefinidamente. Se trata por lo tanto de un dispositivo biestable, es decir que se mantiene indefinidamente estable en dos posibles posiciones, incluso sin ningún consumo eléctrico. Desde este punto de vista es parecido a un relé biestable. De hecho alguna marca como Märklin fabrica dispositivos con este mismo principio pero que en lugar de mover un desvío, abren y cierran contactos eléctricos y lo llama relé. También se utiliza el mismo tipo de dispositivo para mover señales mecánicas de brazo, algunos tipos de barreras de paso a nivel, etc.

Hasta ahora, seguramente, todo el mundo estará de acuerdo con lo explicado, pero al decir si hacemos circular corriente por la bobina 1 o por la bobina 2, ¿a qué clase de corriente me refería?

Tradicionalmente los sistemas analógicos incluyen un "transformador" que proporciona dos salidas de corriente, la que va a las vías, llamada corriente de tracción,  que será una corriente de tensión variable, alterna en el caso de Märklin H0 y continua en todos los demás casos (*)  y además una segunda salida, llamada de accesorios o auxiliar que es precisamente donde conectamos los desvíos, así que si utilizamos este sistema, lo que llega a las bobinas de los desvíos es corriente alterna.

¿Porqué alterna? Muchos aficionados llegan a la conclusión de que si ya tenemos corriente continua para la corriente de tracción y en cambio se usa alterna para los accesorios, será porque tiene que ser así para que funcionen los accesorios, y dan por supuesto que los desvíos y los demás elementos que funcionan con corriente de accesorios necesitan corriente alterna.

Lo paradójico, es que últimamente la mayoría de los "transformadores" han dejado de ser tales, sino que lo que tenemos es un "alimentador" que se coloca en un enchufe de la pared y que proporciona corriente a tensión reducida a un segundo aparato, al que deberíamos llamar controlador, ya que no es un transformador , donde tenemos los mandos de control de la velocidad de los trenes, y donde encontramos los conectores para la corriente de tracción y para la corriente de accesorios. Estos alimentadores proporcionan corriente continua :(al menos rectificada) de modo que si tenemos uno de estos sistemas lo que sale por el conector de accesorios es corriente continua. Muchos aficionados ignoran esta circunstancia y siguen pensando que la corriente de accesorios es alterna, y por lo tanto siguen convencidos de que los motores de desvíos solo funcionan con alterna.

Desde luego esto no es así. Cualquier motor de desvío funciona exactamente igual con corriente continua que con corriente alterna y para convencerse basta probarlo. Al decir exactamente igual, hay que remarcar la frase porque funciona exactamente igual tanto si conectamos el positivo o el negativo de la corriente continua a uno u otro extremo de la bobina. Es decir, para este caso parece que resultan indiferentes los dos polos de la corriente continua, cosa sorprendente porque con corriente continua siempre hay que hacer la distinción acerca de qué polo va a qué sitio.

Para tratar de explicar la razón de este comportamiento atípico, habrá que profundizar un poco en cuál es el mecanismo físico que hace que se mueva ese núcleo ferromagnético que dibujábamos en el esquema anterior. En primer lugar diremos que cada una de esas dos bobinas que encontramos en el motor de un desvío, y que en definitiva no son otra cosa que un hilo enrollado en un soporte de cartón o plástico, es lo que se llama en física un solenoide.  Aclaro que un solenoide es solamente la bobina, sin ninguna clase de núcleo ni móvil ni fijo.

Cuando por el solenoide circula una corriente eléctrica contínua se crea un campo magnético que es proporcional a la intensidad de la corriente y al número de espiras de la bobina. La figura anterior representa una bobina por la que se supone que circula una corriente I , y se han representado las lineas de fuerza del campo magnético B, producido.  Es interesante ver que el campo es muy intenso en el centro del solenoide (líneas de campo muy juntas) y que se dispersa muy rápidamente en el exterior.

Naturalmente si cambiamos el sentido de la corriente, el campo magnético se invierte, así que si alimentamos el solenoide con corriente alterna tendremos un campo magnético oscilante, que cambia de sentido cincuenta veces por segundo.

Sin embargo, si como hemos dicho, en un desvío que en definitiva son dos solenoides, el funcionamiento es idéntico tanto con la corriente continua como alterna y con independencia de la polaridad de la corriente, ¿cómo se explica esto?

La explicación empieza por el hecho de que el núcleo de material ferromagnético al que nos referíamos no es un imán.

Un material ferromagnético está compuesto por pequeños dominios magnéticos que son como minúsculos imanes, que pueden orientarse en el espacio. La figura de la izquierda representa un material ferromagnético que en la parte superior tiene todos los dominios magnéticos aleatoriamente orientados. En esta situación en el exterior del material no se manifiesta ningún efecto magnético. Sin embargo en la parte inferior hemos representado el caso de que todos los dominios estén orientados en una dirección determinada. En este caso el material es un imán y produce un campo magnético en el exterior. Según está dibujado, ese imán tendría el polo sur a la izquierda y el norte a la derecha.

Lo interesante del caso, es que todos los materiales ferromagnéticos cuando están en presencia de un campo magnético orientan sus dominios en la dirección del campo magnético, o sea que se convierten temporalmente en imanes, Si embargo cuando el campo magnético cesa, pueden ocurrir dos cosas: Si los dominios magnéticos se vuelven a descolocar, el material queda sin ningún magnetismo remanente. Es el caso del hierro puro ("hierro dulce") Por el contrario, otros materiales ferromagnéticos, una vez que desaparece el campo magnético, mantienen al menos en parte la orientación de sus dominios magnéticos, con lo que conservan un magnetismo remanente. Este fenómeno se llama "histéresis magnética" y como consecuencia de ello el material queda convertido en un imán, más o menos potente. Es el caso del acero

Bien, pues lo que se busca en este caso es un núcleo de un material que no presente histéresis, o sea que una vez que cesa el campo magnético desordene sus dominios y no conserve magnetismo remanente.

De hecho lo difícil es conseguir que los materiales conserven un valor alto de magnetismo cuando cesa el campo magnético que orienta sus dominios y cuando lo que se busca es justamente un elevado magnetismo remanente hay que recurrir a aleaciones especiales de Hierro con Niquel, Cobalto, Neodimio etc.

Bien, y que pasa entonces si colocamos una pieza de material ferromagnético con muy baja histéresis en el campo magnético de un solenoide?

Veamos la figura:

El material ferromagnetico se convertirá en un imán con sus dominios orientados en la dirección del campo producido por el solenoide por lo tanto se convierte en un imán, en este caso con el polo sur a la izquierda y el norte a la derecha. El polo sur tenderá a moverse entonces a la izquierda y el polo norte hacia la derecha (es la misma fuerza que hace que se oriente una brújula en el campo magnético terrestre) pero como el campo está mucho más disperso en la zona derecha, es mas fuerte la fuerza que actúa hacia la izquierda, sobre el polo sur,  y el núcleo se desplaza hacia la izquierda,  ¿hasta dónde? Precisamente hasta el centro del solenoide porque allí la densidad de flujo se iguala en un extremo y otro del núcleo y éste queda en equilibrio.

Y ¿qué ocurre si la corriente circula en la bobina sentido contrario? Ésta es la imagen:

Ahora, tal como esperábamos, el campo magnético del solenoide es inverso lo cual induce que la orientación de los dominios magnéticos en el núcleo se haga al revés que antes, y siempre siguiendo el sentido del campo del solenoide. De manera que ahora el imán temporal que se forma en el núcleo tiene el polo norte a la izquierda y el polo sur a la derecha. Ahora es el polo norte el que está en la zona de mayor flujo magnético, y por lo tanto la fuerza sobre el polo norte del núcleo es mayor y el núcleo se mueve hacia la izquierda otra vez, y lo mismo que antes, hasta el centro de la bobina que es donde las fuerzas se equilibran.

Conclusión: Sea cual sea el sea el sentido de la corriente, el núcleo se mueve hacia el centro de la bobina.

Esto no debería sorprendernos. Al fin y al cabo el solenoide se comporta como un imán, y un imán siempre atrae hacia si a los cuerpos ferromagnéticos situados en su campo, y esta fuerza es siempre atractiva aunque acerquemos los objetos al polo norte o al polo sur del imán. Y desde luego la causa es la misma: el campo magnético del imán  provoca la ordenación de los dominios magnéticos de los materiales ferromagnéticos en un sentido tal que quedan enfrentados al imán los de signo contrario, y por lo tanto la fuerza siempre es atractiva.

Volviendo a nuestro caso, si la corriente es alterna, durante el medio ciclo que la corriente tiene un sentido la bobina se mueve hacia el centro y en el medio ciclo en que la corriente es negativa, también, así que también con corriente alterna el núcleo se mueve hacia el centro de la bobina.

Aquí hay una pequeña diferencia entre la corriente continua y la alterna. Con corriente continua, la fuerza que actúa sobre el núcleo es uniforme, pero con corriente alterna, la fuerza que actúa sobre el núcleo se anula cada vez que la tensión pasa por cero, aunque luego vuelve a crecer en el mismo sentido. Esto hace que la fuerza oscile con una frecuencia de 100 Hz. y eso es lo que produce que cuando conectamos los desvíos a corriente alterna produzcan ese característico sonido a chicharra, que no se produce si la corriente es continua, pero continua de verdad, es decir uniforme y no simplemente rectificada.

Queda ahora plenamente justificada la frase que incluí en la descripción del motor de bobinas:

La forma de hacer que ese núcleo se mueva es hacer circular una corriente por una de las dos bobinas. Si hacemos circular corriente por la bobina 1, el núcleo se mueve hasta situarse en el centro de la bobina 1 (posición A en la figura) 

Ahora ya sabemos que es indiferente si la corriente es alterna o continua y porqué el núcleo se sitúa precisamente en el centro de la bobina cuando ésta se activa.

Resumiendo: Los desvíos y todos los demás aparatos de motor de bobinas funcionan tanto con corriente alterna como con corriente continua y en este caso con cualquier polaridad.  En cuanto a la fuerza que mueve el núcleo es la misma en ambos casos siempre que el valor eficaz de la intensidad de la corriente alterna sea igual al valor de la corriente continua, aunque en el caso de la corriente alterna la fuerza es oscilante con una frecuencia de 100 Hz, mientras que con corriente continua es uniforme.

Una precisión: he dicho que la fuerza es la misma siempre que el valor eficaz de la intensidad sea el mismo. Como normalmente cuando hablamos de corriente alterna nos referimos a valores eficaces, si yo digo que el desvío se mueve con la misma fuerza con corriente continua que con alterna, parece que quiero decir que da lo mismo usar corriente continua de 12 Voltios que corriente alterna de 12 Voltios. Si, pero no. Veamos: todos los cálculos que se hacen para calcular el campo magnético se basan en la intensidad, no en la tensión. De manera que si yo conecto a una bobina 12 voltios de tensión continua, y la bobina tiene una resistencia de 4 Ohmios, aparecerá una corriente continua de 12 / 4 = 3 Amperios de corriente continua. En el caso de alterna, trabajando con valores eficaces, si yo conecto a la misma bobina una tensión alterna de 12 voltios eficaces, aparecerá una corriente de 12 / 4 = 3 Amperios eficaces de manera que el valor eficaz de la corriente es el mismo y por lo tanto la fuerza que puede ejercer el desvío es la misma. Pues  no. Resulta que con corriente alterna hay que considerar la inductancia de la bobina, que depende como sabemos de la frecuencia. Por lo tanto aún con frecuencias bajas, como 50 Hz la impedancia de la bobina será ligeramente superior a 4 Ohmios y por lo tanto la intensidad ligeramente inferior a 3 Amperios, con lo cual, la fuerza que ejerce el motor del desvío será un poco menor que con corriente continua.

En resumen que el uso de corriente alterna tiene dos pequeñas desventajas: por un lado la fuerza es un poco menor y por otro lado el desvío emite un zumbido. Un amigo mío decía que con alterna los desvíos cantan y se les va la fuerza por la boca. No le faltaba razón.

¿Porqué entonces los fabricantes llevan toda la vida proponiendo que los desvíos se muevan con corriente alterna.? Simplemente porque es más barato.  Si yo tengo un "transformador" de los clásicos, lo primero que tengo es efectivamente un transformador que me entrega corriente alterna de baja tensión , 12 o 14 Voltios. Si utilizo eso directamente como corriente de accesorios no tengo que hacer nada más. Para la parte de tracción necesito corriente continua, así que pongo un rectificador para tracción, pero que solo tiene que rectificar la corriente de tracción que es de menor intensidad, de modo que la parte de accesorios a la que se le puede llegar a pedir intensidades de 2 o 3 Amperios no necesita rectificadores.

Tengamos en cuenta que esta tecnología de los desvíos viene de principios del siglo XX, donde los rectificadores eran de selenio y aparte de caros eran voluminosos y se recalentaban con facilidad. La inercia de mantener los desvíos alimentados con corriente alterna se ha conservado en casi todas las marcas, aunque alguna japonesa como Rokuhan o Kato, la han abandonado y utilizan desvíos movidos por corriente continua, que funcionan con un sistema distinto al que estamos viendo.

Y ahora llegamos finalmente al tema que suscitó la controversia en el foro de Plataforma-N . La imagen de cabecera recoge el esquema del sistema propuesto.

Este sistema requiere obligatoriamente corriente alterna, que mediante los diodos D1 y D2 se divide en semiondas positivas y negativas. Para cada desvío tenemos una pareja de pulsadores de manera que pulsando uno u otro se envía las correspondientes semiondas por un único cable (naranja en el dibujo) a cada desvío, donde un par de diodos se encargan de dirigirlas a una u otra bobina según su polaridad. El retorno es por el hilo negro.

Algunos participantes en el debate no tenían claro cómo se comportaría un desvío cuando a sus bobinas llegase corriente rectificada, y hay quién defendía que no podía funcionar

Esto funciona perfectamente, salvo por el hecho de que lo que llega a cada desvío es justamente una corriente rectificada a media onda, cuyo valor eficaz es la mitad que la onda completa, de modo que los núcleos de las bobinas se moverán exactamente con la mitad de la fuerza que si utilizásemos directamente la corriente alterna de la fuente. Como los desvíos suelen ir más bien escasos de fuerza, ésto es un inconveniente.  Nada impide desde luego, si el uso va a ser exclusivamente para esto, utilizar un transformador de unos 24 Voltios para tener tensiones eficaces del mismo orden de magnitud que con mando directo.

Y como la anterior explicación puede haber resultado un tanto teórica, he decido hacer una demostración práctica. Para ello he grabado un video con un experimento que he montado para comprobar lo que aquí se ha visto. Para ello he usado una bobina construida a base de enrollar un hilo de cobre en un tubo de cartón, y la he alimentado con corriente continua y con corriente alterna. He querido limitar el experimento a la zona externa de la bobina, para que se pueda ver fácilmente el movimiento, y eso hace que la fuerza que se produce sea bastante débil, así que para que se aprecie, y de paso suprimir cualquier rozamiento, he suspendido el núcleo de hierro de unos hilos de forma que la fuerza magnética lo hace oscilar.

Este es el vídeo:





* Véase el artículo Corriente continua?