Cosas que tus padres nunca te contaron de los magnetofones. Primera parte

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Hola amigos, acercándonos a las fechas navideñas os tengo que dar un par de malas noticias. Los reyes magos son los padres. Lo siento pero es cierto, me lo contó un amigo. Y segundo, tus padres no te han contado todo lo que deberías saber de un magnetofón.

¿Pero que deberías saber de ellos?, en realidad podrías saber mucho o poco, depende de tu afición a los magnetofones. Pero independientemente de tu afición a ellos, deberías tener algunas nociones muy básicas de la ciencia que se esconde detrás de un magnetofón, más que nada para no quedarte con cara de poker cuando alguien te pregunte por ellos.

Lo primero que deberías saber es los principios físicos que rigen el funcionamiento de estos cacharros, y para ello voy a tratar de resumírtelos en un párrafo muy corto que posteriormente acompañare de una explicación más practica. Esto conformorá la primera entrega, ya que entiendo que es las más difícil de digerir y no quiero marearos mucho.

Bien, la física clásica, la que estudiamos todos en el colegio, hace una clara división de los campos en función de su variabilidad del flujo en el tiempo de los mismos, de esta forma la electrostática y el magnetismo, estudian respectivamente los campos eléctricos y magnéticos que son estáticos, o invariables en el tiempo, por ejemplo una pila o un imán en reposo. Los campos electromagnéticos se descubrieron posteriormente y se basan principalmente en dos cosas: la primera es que estos campos son variables en el tiempo, y su existencia radica justamente por eso. Lo segundo es que en los campos electromagnéticos coexisten un campo eléctrico y un campo magnético a la vez, siendo además inseparables, de tal forma que un campo eléctrico va a generar un campo magnético y un campo magnético va a generar un campo eléctrico. Las leyes fundamentales que rigen estos campos fueron expuestas por gente como Faraday, Lenz, Henry y por último Maxwell, el cual invirtió toda una vida para obtener cuatro ecuaciones que son las que rigen las comunicaciones que establecemos todos los días.

Esto es todo lo que tienes que saber de electromagnetismo, el resto que te tenga que contar, lo concretaré ya sobre ejemplos en el magnetofón, Y quizás te preguntes ¿porqué nos ha contado esto y luego no explica mucho más? Por varias razones: no cojo un libro de física desde hace por lo menos 14 años, no creo que necesitemos saber más de física para entender un magnetofón, y sobre todo no comparto parte de las explicaciones que durante años se han hecho acerca de la física de los magnetofones, más tarde lo comentaré más extensamente.

La primera parte de la física de los magnetofones que os quiero contar es cómo funciona en sí mismo los cabezales de grabación y reproducción y la cinta. Supongamos para ello un magnetofón ideal, lo vamos a llamar el magnetofón Audioforo, en honor a nuestro pequeño rincón de diversión. Este magnetofón esta constituido por un cabezal de grabación, uno de reproducción y una cinta, nada más.

Los cabezales de grabación y reproducción son prácticamente iguales, de hecho el proceso de grabación y reproducción son simétricos e invertibles, es decir es como ir de Madrid a Barcelona y luego de Barcelona a Madrid por el mismo camino, y esto es gracias en parte a los campos electromagnéticos siendo en la grabación un campo eléctrico el que genera un campo magnético y en la reproducción el campo magnético genera un campo eléctrico. El campo eléctrico genera un campo magnético que se graba en la cinta a través del cabezal de grabación, y el campo magnético de la cinta produce un campo eléctrico en el cabezal de reproducción que es proporcional al campo eléctrico que se grabó originalmente.

Veamos el proceso un poco más detallado

  1. Cabezal de grabación: El cabezal de grabación, clásicamente se ha explicado como un electroiman, es decir es un solenoide en cuyo interior existe un hierro, de tal forma que cuando por el solenoide circula una corriente, se produce un campo magnético, que es guiado en el interior del hierro, haciendo que el hierro se comporte como un imán en donde el valor del campo magnético generado es proporcional al valor de la corriente que atraviesa al solenoide (un solenoide es un conjunto de espiras arrolladas, una bobina). El campo magnético sería dirigido hacia la cinta y sería grabado en la cinta, como el campo magnético es proporcional a las variaciones de la corriente que hay en el solenoide, la idea parece clara, si al solenoide le aplico yo la señal de audio, en la cinta se grabará un campo magnético proporcional a las variaciones de la señal de audio. Hasta aquí todo bien, pero ampliemos un poco mas nuestra visión, veamos más de cerca a nuestro amigo electroimán para entender como funciona.
    cabezal-lectura
    Como se puede apreciar en la imagen el cabezal se compone de un hierro con forma de anillo, el cual tiene un corte, y unas espiras arrolladas alrededor del hierro. Estas espiras son lo que se conoce como solenoide, y el conjunto del solenoide y el hierro forman el electroimán. Tradicionalmente se aplica la ley de Ampere, para explicar el funcionamiento de este artilugio, sin embargo yo no estoy muy de acuerdo con ello, ya que la ley de Ampere se utiliza para calcular campos magnéticos estáticos en superficies a través del flujo (líneas de campo que atraviesan la superficie). El problema es que la corriente que crea ese campo, en nuestro caso en concreto es una corriente variable en el tiempo, y por lo tanto ya no es tan fácil como aplicar la ley de Ampere a pelo para un campo magnético estático.
    En cualquiera de los casos y para no liar más la madeja, voy a basarme en la explicación clásica que se aproxima bastante a la realidad. Cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica (continua) crea a su alrededor un campo magnético que se puede calcular con la ley de Ampere. En el caso concreto de un solenoide tiene la siguiente formasolenoid_rule

    Todas las líneas de campo magnético pasan por el centro, salen por la izquierda y luego se doblan hacia arriba y abajo para volver hacia atrás y volver a entrar en el solenoide por la derecha. Las líneas de campo magnético, establecen “circuitos” en el aire por donde el campo retorna al punto de donde nació, pasa lo mismo que con los circuitos eléctricos. Por tanto para que se establezca un campo magnético, tiene que establecerse un circuito por donde la línea del campo magnético nazca y muera, cerrando así su existencia. Bien cual es la gracia del hierro que está dentro del solenoide, pues muy fácil, el hierro en el interior posee una permeabilidad más alta que la del aire. La permeabilidad magnética es una propiedad de los materiales a ser atravesados por flujos magnéticos, de tal forma que cuanto más alta sea la permeabilidad más facilitan el paso al flujo magnético. Bien, cuando la corriente por el solenoide genera el campo magnético, las líneas del mismo tienen dos opciones, irse por el anillo de hierro, cerrando así su circuito magnético, o salirse del hierro y tratar de volver al solenoide por el otro lado, valiendose para ello del aire que lo rodea. Claramente el circuito o camino que van a escoger las líneas del campo magnético van a ser la del hierro, porque es mucho más permeable magnéticamente que el aire. Por lo tanto digamos que el hierro está guiando las líneas de campo magnético originadas por nuestra corriente de audio, por donde nosotros queremos.Vale ahora tenemos todo el campo magnético por donde nosotros queremos, y ahora tenemos que hacer que este campo magnético pase por la cinta. ¿Y cómo hacemos esto? si el  anillo de hierro está cerrado, las líneas de campo discurren por el hierro no alcanzando jamás a la cinta. Esto se arregla de un forma muy sencilla, le pegamos un corte al anillo, y justo al lado de este corte ponemos la cinta magnética. ¿Qué es lo que pasa en este punto?, fijaros en el dibujo, las líneas del campo magnético discurren por el interior del hierro hasta que llega al corte y se topa con el aire. En este punto el flujo tiene que decidir por donde sigue avanzando en su impetú de cerrar el circuito magnético, entonces le surgen dos opciones, dar el salto del corte a través del aire, o discurrir por el trozo de cinta magnética el cual esta justo a su lado. La solución de nuevo pasa por la permeabilidad, si intentase seguir por el aire se encontraría una permeabilidad más baja, mientras que si decide usar la cinta como piedra sobre la que apoyarse y dar el salto hasta el otro, se encuentra con una permeabilidad más alta, por donde se encuentra más agusto discurriendo. Por lo tanto haciendo este corte en el anillo, hacemos que un trocito de la cinta mágnetica pase a ser parte del circuito mágnetico, y de esta forma es como se graba el campo magnético en la cinta…. Ufffff ya queda menos animo.

  2. La cinta está constituida principalmente por dos substratos, uno de ellos es un substrato plástico, el cual sirve de soporte, y el otro es un substrato magnético, constituido por partículas de un material ferromagnético. Una de las propiedades de los materiales ferromagnéticos es que son susceptibles a los campos magnéticos. Estas partículas son espolvoreadas sobre la cinta en el proceso de fabricación con una determinada densidad.
    Podemos imaginar estas partículas que están espolvoreadas con ningín tipo de orden, cada una a caído como ha querido en la cinta, no poseen ni ley ni orden. Sin embargo cuando sobre ellas se aplica un campo magnético, comienzan a ordenarse en el sentido del campo magnético, de tal forma que la intensidad del campo magnético (que recordemos que depende de la corriente del solenoide y por tanto de la señal de audio) hace que se ordenen más o menos partículas en el sentido del campo magnético. Cuanto menos intensidad tenga el campo, menos partículas se ordenan, cuanta más intensidad tiene el campo, más partículas se ordenan. Un ejemplo es los niños en un patio, cuando el maestro sale al patio, están todos los niños revoloteando, sin ningún orden ni concierto. Si pega un silbido flojo, posiblemente unos pocos niños paren de jugar y se pongan en fila, si silba un poco más fuerte seguramente más niños le hagan caso, y se pongan en fila, si el maestro silba lo más fuerte posible y además se caga en la puta madre de todos, pues todos los niños irán corriendo a ponerse en la fila sin pestañear. Las partículas ferromagnéticas harán lo mismo, dependiendo de la intensidad del campo unas serán más perezosas que otras a ponerse en orden, el límite es aquel para el cual el campo magnético aplicado hace que todas las partículas estén orientadas, en este momento, aunque aumentemos el campo, no conseguiremos magnetizar más la cinta, se ha llegado al punto de saturación.Poco más que añadir con respecto a la cinta, simplemente que cada una de las partículas, una vez que han sido magnetizadas, se pueden considerar como un dipolo magnético, con un determinado momento y fuerzas, pero esto ya es algo que dejemos mejor a los físicos, nosotros nos sobra con entender que las partículas se han convertido cada una de ellas en un pequeño imán. En el dibujo a continuación podéis ver como cada partícula entra a su libre albedrío, y salen completamente alineadastape6
  3. El cabezal de reproducción: El cabezal de reproducción hace exactamente la función inversa del cabezal de reproducción, y en este caso la explicación tradicional si incluye el electromagnetismo como fundamento físico de funcionamiento. Como este cabezal es muy parecido al de grabación, me voy a saltar muchas cosas, para no saturaros más, y voy a ir directamente al grano del funcionamiento.  La ley física que se aplica en este caso es la ley de Faraday-Lenz-Henry, que viene a decir básicamente que cuando se introduce un conductor en un campo magnético variable en el tiempo, sobre las bornas del conductor aparece una f.e.m (fuerza electromotriz) que es función de las variaciones del campo magnético en el tiempo. O dicho de otra manera, aparece una diferencia de potencial entre las bornas y por tanto una corriente eléctrica. Volvamos por un momento a la cinta, si yo analizo la cinta trocito a trocito, veo que sobre ella hay diferentes campos magnéticos, como resultado de que la cinta se ha magnetizado proporcionalmente a la corriente del solenoide, que es alimentado por la señal de audio, entonces si para cada cachito de cinta existe un campo magnético estático (con un determinado valor que no cambia), como puedo conseguir un campo magnético variable? Exacto, lo has pensado y has acertado, del movimiento de la cinta. Si yo ahora me situo enfrente de la cinta en un punto en concreto y hago correr la cinta, puedo ver como el campo magnético es variable en el tiempo para ese punto, y si en ese punto pongo un cabezal para la reproducción entonces mi cabezal estará viendo un campo magnético variable en el tiempo.Deshagamos ahora el camino para ver como obtenemos a la salida del cabeza la señal de audio. Bien el cabezal es “casi” igual al de grabación, por lo tanto ahora el flujo magnético que nace y muere para cada punto de la cinta (originado por el campo magnético almacenado por el material ferromagnético), usara para ello el hierro que esta dentro del solenoide, de tal forma que las lineas de campo nacen en el punto de la cinta que esta justo al lado de la abertura de cabezal, discurren por dentro del hierro y retornan de una forma circular de nuevo hasta donde nacieron. Si os fijáis el solenoide que rodea a este hierro, se ve afectado por un campo magnético variable en el tiempo que hace que se genere una corriente en el, debido a la f.e.m inducida por el campo magnético. Por último me queda una cosita por comentar, la f.e.m inducida es proporcional a la variación del campo magnético, por lo tanto si yo acelero la cinta o la ralentizo, la f.e.m variará, pero aun peor, las diferentes frecuencias de audio grabadas en la cinta, hacen que la f.e.m inducida sea proporcional a la frecuencia de la misma, de tal forma que la f.e.m es doble para 2 KHz en relación a 1 KHz por ejemplo. Para compensar este efecto, todos los magnetofones incluyen un filtro paso bajo de primer orden, con una pendiente de 6 dB/oct.

Recapitulemos, una corriente eléctrica que proviene de una señal de audio, produce en el interior de un solenoide un campo magnético que es guiado por un hierro hasta la cinta. La cinta, cuando se reproduce, crea un campo magnético que es guiado por otro hierro por dentro de otro solenoide produciendo en este solenoide un corriente eléctrica, que es proporcional a corriente eléctrica que originalmente se grabó. Es decir genero una corriente eléctrica, la almaceno en un soporte magnético, y tiempo después reproduzco este soporte magnético, para obtener una corriente eléctrica proporcional a la corriente originalmente grabada.

Ya os podéis despertar

 

070207

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