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Probablemente ya haya intentado perturbar una brújula acercándole un imán, pero ¿ha probado alguna vez el mismo experimento con la brújula electrónica de su smartphone? En el vídeo siguiente realizamos el experimento, y el resultado es sorprendente: la brújula del smartphone parece no verse afectada por la presencia de un imán.

¿Por qué se comporta así? Como científicos, ¿podemos fiarnos de los datos del magnetómetro? ¿Y qué implicaciones tiene esto para medir campos magnéticos con un smartphone? Es lo que exploraremos en este artículo.

¿Por qué hay un magnetómetro en un smartphone?

Si el acelerómetro forma parte de los smartphones desde las primeras generaciones, diseñado originalmente para determinar la orientación horizontal o vertical del dispositivo, los sensores magnéticos (o magnetómetros) se añadieron mucho más tarde. El HTC Dream, lanzado en octubre de 2008, suele considerarse el primer smartphone Android que incluyó oficialmente un sensor magnético. Por parte de Apple, el iPhone 3GS, presentado en junio de 2009, fue el primer iPhone equipado con un magnetómetro.

¿Por qué tanto retraso? En aquella época, la función principal de los magnetómetros en los smartphones era la brújula digital. Los estudiantes pueden redescubrir esta función original con la actividad Oriéntese con un magnetómetro, que utiliza la componente horizontal del campo magnético terrestre para localizar el norte magnético y compara el resultado con una brújula tradicional.

Esta función era útil para la navegación, tanto en senderismo como en coche, pero por sí sola no bastaba para justificar el coste adicional y el esfuerzo necesarios para integrar el sensor. Además, el magnetómetro es muy sensible a los elementos externos, lo que lo hace no siempre fiable.

Sin embargo, a medida que los smartphones ganaban potencia, surgieron nuevas aplicaciones, como los juegos basados en el movimiento, la realidad virtual y la realidad aumentada. Estas aplicaciones exigían una capacidad nueva: seguir con precisión la posición del smartphone en el espacio. Por ejemplo, al mover su smartphone, el usuario podía conducir un coche o una nave espacial, o explorar distintos ángulos de un objeto virtual. Estas aplicaciones llevaron a los fabricantes a integrar nuevos sensores en los smartphones, en particular el magnetómetro, para deleite de los jugadores… y de los científicos.

Orientarse en el espacio al menor coste

Para determinar la posición de un objeto en un instante dado, hay dos enfoques posibles:

Utilizar un sistema de referencia fijo: este método consiste en disponer de un sistema de referencia inmóvil y de un instrumento capaz de medir la orientación respecto a él.

Calcular variaciones incrementales: a partir de una posición conocida, se miden los cambios sucesivos mediante datos de aceleración y de rotación para deducir la nueva posición.

Los submarinos utilizan este segundo método. Gracias a giroscopios y acelerómetros extremadamente precisos, pueden navegar sin referencias externas durante varios días. Sin embargo, la acumulación de errores (deriva) puede producir desviaciones de varios kilómetros respecto a su posición real.

Los estudiantes pueden experimentar este problema de deriva de primera mano en la actividad Perseverance en Marte, que compara distintos sensores del smartphone (acelerómetro, giroscopio, magnetómetro) para mantener una línea recta durante 150 pasos, y muestra rápidamente por qué la navegación puramente inercial acumula errores.

Para los smartphones, cuyos movimientos son mucho más limitados, el magnetómetro es una alternativa muy ventajosa, ya que el campo magnético terrestre proporciona una excelente referencia local. Ofrece varias ventajas clave:

Sencillez de los cálculos: las medidas están directamente relacionadas con el campo magnético terrestre.

Sin deriva: a diferencia de los giroscopios y los acelerómetros, no hay acumulación de errores.

Bajo consumo de energía: un magnetómetro consume entre 10 µA y 500 µA, mientras que un acelerómetro consume unas 10 veces más, y un giroscopio hasta 100 veces más.

Dada la capacidad limitada de las baterías de los smartphones, este bajo consumo es una ventaja importante, ya que ayuda a preservar la autonomía y garantiza al mismo tiempo medidas fiables y económicas.

La difícil medición del campo magnético

Aunque el magnetómetro pueda parecer el instrumento ideal para determinar la posición de un smartphone en el espacio, un obstáculo importante complica su uso: la baja intensidad del campo magnético terrestre.

El campo magnético terrestre tiene una intensidad de unos 50 microteslas, repartida entre una componente horizontal (útil para determinar el norte) y una componente vertical (que indica la latitud magnética). A modo de comparación, un simple imán natural, como la magnetita, puede generar un campo que alcanza 0,05 tesla, es decir, mil veces más intenso. Esto significa que el más mínimo campo magnético parásito cerca del sensor puede distorsionar por completo las medidas. Por ejemplo, un vídeo muestra que el magnetómetro de un smartphone es capaz de detectar el campo generado por una simple brújula que gira, incluso a veinte centímetros de distancia.

Los imanes no son los únicos responsables de los errores: diversos materiales también pueden perturbar las medidas al modificar o deformar el campo magnético.

Materiales ferromagnéticos (hierro, níquel, cobalto, acero): se imantan de forma permanente e interactúan fuertemente con el campo magnético.

Materiales paramagnéticos (aluminio, platino, magnesio): son débilmente atraídos por el campo, ya que sus electrones desapareados se alinean temporalmente con él.

Materiales diamagnéticos (cobre, oro, grafito, agua): son ligeramente repelidos por el campo, ya que sus electrones apareados crean un campo opuesto.

Además, los circuitos internos del smartphone generan sus propias perturbaciones. Las corrientes eléctricas que circulan por sus componentes producen campos magnéticos proporcionales a la intensidad de la corriente y a la disposición del circuito. Estos campos fluctúan según la actividad del smartphone, como las operaciones del procesador o las comunicaciones de red. En consecuencia, estos campos parásitos interfieren directamente con las medidas del magnetómetro y hacen que los datos no sean fiables si la calibración no se realiza con cuidado.

Para obtener medidas precisas, el magnetómetro debe calibrarse de modo que compense tanto la influencia de los materiales externos como los campos parásitos generados por el propio smartphone.

Calibración estática

Para corregir los distintos efectos que perturban el campo magnético ambiente e impiden que el magnetómetro detecte con precisión la dirección y la intensidad del campo magnético terrestre, los ingenieros han desarrollado un mecanismo de calibración.

Se tratan dos grandes categorías de perturbaciones: el efecto de hierro duro (hard iron), causado por elementos imantados de forma permanente (como un tornillo o el imán de un altavoz), y el efecto de hierro blando (soft iron), que resulta de materiales no imantados que deforman localmente las líneas del campo magnético.

Para compensar estas perturbaciones, se mueve el smartphone siguiendo una amplia variedad de movimientos (como el conocido movimiento en forma de ocho). Este movimiento expone el magnetómetro a todas las orientaciones, lo que le permite corregir los errores de sesgo y de escala y compensar al mismo tiempo las perturbaciones locales.

Al aplicar estas correcciones, el sistema proporciona una medida mucho más fiable del campo magnético, esencial para indicar con precisión la dirección del campo magnético terrestre y la posición del smartphone en el espacio.

Calibración dinámica

La calibración estática permite determinar los ajustes necesarios para aislar el campo magnético terrestre de las perturbaciones internas del smartphone. Pero ¿qué ocurre cuando se acerca un imán al teléfono o cuando este se coloca dentro de un coche? Las medidas se verán perturbadas y el magnetómetro dejará de ser eficaz. ¿Cómo compensar estas interferencias?

Los primeros smartphones exigían que el usuario recalibrara el dispositivo cada vez que cambiaba el entorno, realizando el conocido movimiento en forma de ocho.

Con el tiempo, los desarrolladores introdujeron algoritmos más avanzados, capaces de detectar y compensar automáticamente las variaciones anormales del campo magnético. Estos algoritmos miden continuamente el campo detectado y lo comparan con su valor esperado, utilizando los datos del acelerómetro y del giroscopio.

Por ejemplo, si el teléfono está apoyado sobre una mesa y se acerca un imán, el software detecta el campo adicional, mide las variaciones en los tres ejes y ajusta la calibración para que los valores coincidan con el campo magnético inicial. Pero ¿qué ocurre si, al mismo tiempo, se gira el teléfono? El giroscopio y el acelerómetro se utilizan entonces para calcular la rotación del teléfono, estimar el campo magnético teórico sin el imán y adaptar la corrección en consecuencia.

El reto de la fusión de sensores

Hoy en día, en un smartphone es difícil separar los tres sensores de posicionamiento: el magnetómetro, el giroscopio y el acelerómetro. Estos sensores trabajan juntos para proporcionar información de posición precisa minimizando el consumo de energía.

Esta integración de sensores, combinada con otros como el GPS, se conoce como fusión de sensores. El sistema operativo del smartphone analiza continuamente los datos de estos sensores y realiza ajustes según la función concreta que se esté utilizando. Por ejemplo, para ahorrar energía, el sistema puede dar prioridad al magnetómetro o al acelerómetro en determinadas situaciones y activar el GPS solo cuando es necesario.

Aunque esta fusión beneficia a los usuarios y a las aplicaciones especializadas, plantea dificultades a científicos y docentes. Los datos brutos de los sensores son más difíciles de obtener, y los datos de libre acceso suelen estar alterados por los ajustes constantes del sistema, como la calibración automática. Estas modificaciones complican la interpretación de los datos para experimentos o análisis precisos.

Esto es especialmente cierto en el caso del magnetómetro. Casi todas las aplicaciones que miden el campo magnético utilizan datos compensados que no reflejan plenamente la realidad, lo que dificulta obtener medidas fiables.

Medir el campo magnético real

Para medir el campo magnético real, es necesario acceder a los datos brutos del magnetómetro y, al mismo tiempo, tener en cuenta los componentes internos del smartphone (efectos de hierro duro y de hierro blando). Esto es exactamente lo que ofrece FizziQ con la función “Campo magnético bruto”.

Esta función forma parte de un conjunto de medidas desarrolladas en FizziQ que permiten acceder directamente a los valores brutos de los acelerómetros. Así, el profesorado dispone de diversas herramientas para realizar experimentos de aula sobre magnetismo utilizando únicamente un smartphone:

a. Campo magnético automático

Es el valor calibrado que proporciona el smartphone, adecuado para un uso de tipo brújula.

b. Campo magnético bruto

Es la lectura directa del magnetómetro, sin ajustes.

Puede alinearse con el valor teórico pulsando “Calibración”, que calcula las correcciones estáticas (hierro duro y hierro blando) sin actualizarlas continuamente. Esto garantiza que la medida se mantenga coherente para analizar el campo magnético real.

c. Campo Y y desviación respecto al norte magnético

FizziQ calcula el campo magnético real a lo largo del eje Y, así como el ángulo entre el campo medido y el norte magnético.

Muestra claramente cómo un imán influye tanto en el campo magnético como en la dirección de la brújula.

Experimentos de aula sobre el campo magnético

Bien utilizado, el magnetómetro de los smartphones es una herramienta muy útil para el profesorado, ya que permite ilustrar diversos conceptos relacionados con el campo magnético terrestre, la ley de Biot-Savart y las propiedades de los dipolos magnéticos:

a. Campo magnético terrestre

Observando la componente Y del campo magnético, los estudiantes pueden determinar su componente horizontal (que corresponde a la dirección del norte para una brújula) y medir el ángulo de inclinación en el plano vertical. Esto les ayuda a comprender cómo este ángulo depende de la latitud y a verificar la relación entre el campo magnético terrestre y la geografía.

En la actividad Latitud magnética se ofrece un protocolo completo que utiliza simultáneamente el magnetómetro y el inclinómetro (modo Dúo) para calcular la latitud magnética del aula a partir del ángulo de inclinación.

b. Efecto Oersted

Colocando un smartphone dentro de una bobina recorrida por una corriente, los estudiantes pueden verificar experimentalmente la ley de Biot-Savart y la ley de Ampère. Esto les permite comprender mejor cómo se crea y se distribuye un campo magnético alrededor de un conductor enrollado.

El protocolo guiado completo, que consiste en variar la corriente en una bobina y registrar la componente Y del campo magnético, está disponible en la actividad Ley de Biot-Savart.

c. Dipolo magnético

Con el magnetómetro, los estudiantes pueden cartografiar el campo magnético producido por un imán de barra (dipolo) en distintos puntos del espacio. Esto ayuda a confirmar la ley de tipo Coulomb del magnetismo, que predice que la intensidad del campo disminuye con la distancia según 1/d³.

d. Propiedades magnéticas de los materiales

Con el magnetómetro, los estudiantes pueden observar cómo distintos metales (ferromagnéticos, paramagnéticos o diamagnéticos) interactúan con un campo magnético. Los resultados pueden ilustrar aplicaciones reales, como la detección de objetos metálicos enterrados en la arena o la localización de barcos hundidos.

La actividad Búsqueda del tesoro magnética lo pone directamente en práctica: los estudiantes exploran metódicamente una zona con el magnetómetro para localizar objetos metálicos escondidos bajo una manta o en la arena, y analizan cómo la firma del campo depende del tamaño y del tipo de metal.

e. Cinemática magnética

El magnetómetro también puede utilizarse como sensor de posición. Colocando imanes a intervalos regulares a lo largo de una pista y fijando un smartphone a un objeto en movimiento (tren de juguete, carrito), cada imán al pasar produce un pico en el campo magnético registrado, lo que permite calcular la velocidad del objeto a partir de los intervalos de tiempo entre picos. Véase la actividad Regla magnética.

Conclusión

El magnetómetro es un componente clave de los smartphones, esencial para la navegación (al identificar la dirección del campo magnético terrestre) y para proporcionar una medida fiable de la orientación del teléfono en el espacio con un consumo de energía mínimo. Esta precisión resulta especialmente útil para los juegos interactivos y las aplicaciones de realidad virtual o aumentada.

Sin embargo, utilizar este sensor en el aula exige comprender a fondo su funcionamiento, en particular los mecanismos de adquisición de datos y los sesgos introducidos por los procesos de calibración automática del smartphone, que pueden afectar a las medidas.

Con esto en mente, hemos desarrollado un módulo de medición del campo magnético específico dentro de FizziQ. Este módulo permite al profesorado realizar una amplia variedad de experimentos de aula, como el estudio del campo magnético terrestre, los dipolos magnéticos, el efecto Oersted y las propiedades magnéticas de distintos materiales.

Bibliografía

Experimentos pedagógicos con magnetómetros de smartphone

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Magnetómetros MEMS: calibración de hierro duro y hierro blando

M. Stanley, “Hard and soft iron magnetic compensation explained”, MEMS Industry Group Blog (2011). memsblog.wordpress.com/2011/03/22/hard-and-soft-iron-magnetic-compensation-explained Explicación accesible de los dos efectos, escrita por un antiguo ingeniero de Freescale.

VectorNav, “Magnetometer Hard & Soft Iron Calibration”, Inertial Navigation Primer. vectornav.com/resources/inertial-navigation-primer Formulación matemática de la calibración (transformación del elipsoide deformado en una esfera).

MathWorks, “Magnetometer Calibration”, MATLAB documentation. mathworks.com/help/nav/ug/magnetometer-calibration.html Implementación práctica del algoritmo de calibración.

Campo magnético terrestre: datos de referencia

NOAA / NCEI, “World Magnetic Model (WMM)” and “International Geomagnetic Reference Field (IGRF)”. ncei.noaa.gov/products/world-magnetic-model Fuente de referencia para los valores locales de intensidad, declinación e inclinación del campo geomagnético, útil para comparar con las medidas de los estudiantes.