¿Por qué la brújula de un teléfono inteligente no se ve afectada por los imanes?
- Christophe Chazot
- 29 ene
- 9 Min. de lectura
Probablemente ya hayas intentado alterar el funcionamiento de una brújula acercándole un imán, pero ¿alguna vez has intentado hacer el mismo experimento con la brújula electrónica de tu teléfono inteligente? En el siguiente vídeo, realizamos el experimento y el resultado es sorprendente: la brújula del teléfono inteligente parece no verse afectada por la presencia de un imán.
¿Por qué se comporta así? ¿Podemos confiar en los datos del magnetómetro como científicos? ¿Y qué implicaciones tiene medir los campos magnéticos con un teléfono inteligente? Esto es lo que exploraremos en este artículo.
¿Por qué un magnetómetro en un teléfono inteligente?
Si bien el acelerómetro ha sido parte integral de los teléfonos inteligentes desde las primeras generaciones (originalmente diseñado para determinar la orientación horizontal o vertical del dispositivo), los sensores magnéticos (o magnetómetros) se agregaron mucho más tarde. El HTC Dream, lanzado en octubre de 2008, a menudo se considera el primer teléfono inteligente Android que incluyó oficialmente un sensor magnético. Por parte de Apple, el iPhone 3GS, lanzado en junio de 2009, fue el primer iPhone que incluyó un magnetómetro.
¿Por qué se ha producido este retraso? En aquel momento, la función principal de los magnetómetros en los teléfonos inteligentes era la de brújula digital. Esta función era útil para la navegación, ya fuera para hacer senderismo o para conducir, pero por sí sola no era suficiente para justificar el coste y el esfuerzo adicionales necesarios para integrar el sensor. Además, el magnetómetro es muy sensible a los elementos externos, por lo que no siempre es fiable.
Sin embargo, a medida que los teléfonos inteligentes se volvieron más potentes, surgieron nuevas aplicaciones, como los juegos basados en el movimiento, la realidad virtual y la realidad aumentada. Estas aplicaciones requerían una nueva capacidad: la capacidad de rastrear con precisión la posición del teléfono inteligente en el espacio. Por ejemplo, al mover el teléfono inteligente, los usuarios podían dirigir un automóvil o una nave espacial o explorar diferentes ángulos de un objeto virtual. Estas aplicaciones llevaron a los fabricantes a integrar nuevos sensores en los teléfonos inteligentes, en particular el magnetómetro, para el deleite de los jugadores... y los científicos.
Navegar en el espacio al mejor costo
Para determinar la posición de un objeto en un momento dado, son posibles dos enfoques:
Utilizando un marco de referencia fijo : este método implica tener un marco de referencia estacionario y un instrumento capaz de medir la orientación relativa a él.
Cálculo de variaciones incrementales : Partiendo de una posición conocida, se miden los cambios sucesivos a través de datos de aceleración y rotación para deducir la nueva posición.
Los submarinos utilizan este segundo método. Gracias a giroscopios y acelerómetros de gran precisión, pueden navegar sin puntos de referencia externos durante varios días. Sin embargo, la acumulación de errores (deriva) puede provocar desviaciones de varios kilómetros respecto de su posición real.
Para los teléfonos inteligentes, que experimentan movimientos 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:
Simplicidad de los cálculos : Las mediciones están directamente relacionadas con el campo magnético de la Tierra.
Sin deriva : a diferencia de los giroscopios y acelerómetros, no hay acumulación de errores.
Bajo consumo de energía : un magnetómetro consume entre 10 µA y 500 µA, mientras que un acelerómetro consume aproximadamente 10 veces más y un giroscopio hasta 100 veces más.
Dada la capacidad limitada de las baterías de los teléfonos inteligentes, este bajo consumo de energía es una ventaja importante, ya que ayuda a preservar la vida útil de la batería y al mismo tiempo garantiza mediciones confiables y rentables.
La difícil medición del campo magnético
Aunque el magnetómetro puede parecer el instrumento ideal para determinar la posición de un teléfono inteligente en el espacio, un obstáculo importante complica su uso: la baja intensidad del campo magnético de la Tierra.
El campo magnético de la Tierra tiene una intensidad de unos 50 microteslas, divididos entre un componente horizontal (útil para determinar el norte) y un componente vertical (que indica la latitud magnética). A modo de comparación, un simple imán natural, como la magnetita, puede generar un campo que alcanza los 0,05 teslas, es decir, mil veces más fuerte. Esto significa que incluso el más mínimo campo magnético extraño cerca del sensor puede distorsionar por completo las mediciones. Por ejemplo, un vídeo demuestra que el magnetómetro de un teléfono inteligente puede detectar el campo generado por una simple brújula giratoria, incluso a una distancia de veinte centímetros.
Los imanes no son los únicos culpables de los errores: diversos materiales también pueden alterar las mediciones al alterar o distorsionar el campo magnético.
Materiales ferromagnéticos (hierro, níquel, cobalto, acero) : Estos quedan magnetizados permanentemente e interactúan fuertemente con el campo magnético.
Materiales paramagnéticos (aluminio, platino, magnesio) : Se sienten 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 emparejados crean un campo opuesto.
Además, los circuitos internos del smartphone generan sus propias perturbaciones. Las corrientes eléctricas que fluyen a través de sus componentes producen campos magnéticos proporcionales a la intensidad de la corriente y a la disposición del circuito. Estos campos fluctúan en función de la actividad del smartphone, como las operaciones del procesador o las comunicaciones de red. Como resultado, estos campos parásitos interfieren directamente en las mediciones del magnetómetro, lo que hace que los datos no sean fiables si no se realiza una calibración cuidadosa.
Para obtener mediciones precisas, el magnetómetro debe calibrarse para compensar tanto las influencias materiales externas como los campos parásitos generados por el propio teléfono inteligente.
Calibración estática
Para corregir los diversos efectos que alteran el campo magnético ambiental e impiden que el magnetómetro detecte con precisión la dirección y la intensidad del campo magnético de la Tierra, los ingenieros han desarrollado un mecanismo de calibración.
Se abordan dos categorías principales de perturbaciones: el efecto del hierro duro , causado por elementos magnetizados permanentemente (como un tornillo o un imán de altavoz), y el efecto del hierro blando , que resulta de materiales no magnetizados que distorsionan localmente las líneas del campo magnético.
Para compensar estas perturbaciones, el teléfono inteligente se mueve a través de una amplia gama de movimientos (como el conocido movimiento en forma de ocho ). Este movimiento expone al magnetómetro a todas las orientaciones, lo que le permite corregir errores de sesgo y escala mientras compensa las perturbaciones locales.
Al aplicar estas correcciones, el sistema proporciona una medición mucho más fiable del campo magnético, esencial para indicar con precisión la dirección del campo magnético de la Tierra y la posición del teléfono inteligente en el espacio.
Calibración dinámica
La calibración estática ayuda a determinar los ajustes necesarios para aislar el campo magnético de la Tierra de las perturbaciones internas del smartphone. Pero ¿qué ocurre cuando se acerca un imán al teléfono o cuando se lo coloca en el interior de un coche? Las mediciones se verán alteradas, lo que hará que el magnetómetro deje de ser eficaz. ¿Cómo se pueden compensar estas interferencias?
Los primeros teléfonos inteligentes requerían que los usuarios recalibraran el dispositivo cada vez que el entorno cambiaba 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 en el campo magnético. Estos algoritmos miden continuamente el campo detectado y lo comparan con su valor esperado, utilizando datos del acelerómetro y el 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 a lo largo de los tres ejes y ajusta la calibración para alinear los valores con el campo magnético inicial. Pero, ¿qué sucede 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 desafío de la fusión de sensores
Hoy en día, en un teléfono inteligente es difícil separar los tres sensores de posicionamiento: el magnetómetro , el giroscopio y el acelerómetro. Estos sensores trabajan juntos para proporcionar información precisa de posicionamiento y minimizar 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 en función de la función específica que se esté utilizando. Por ejemplo, para ahorrar energía, el sistema puede priorizar el magnetómetro o el acelerómetro en determinadas situaciones, activando el GPS solo cuando sea necesario.
Si bien esta fusión beneficia a los usuarios y a las aplicaciones especializadas, presenta desafíos para los científicos y los educadores. Es más difícil acceder a los datos sin procesar de los sensores y los datos de acceso abierto suelen verse alterados por los ajustes constantes del sistema, como la calibración automática. Estas modificaciones dificultan 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 totalmente la realidad, lo que dificulta la realización de mediciones fiables.
Medir el campo magnético real
Para medir el campo magnético real, es necesario acceder a los datos brutos del magnetómetro y tener en cuenta los componentes internos del smartphone (efectos del hierro duro y del hierro dulce). Esto es exactamente lo que ofrece FizziQ con la función "Campo magnético bruto".
Esta función forma parte de un conjunto de mediciones desarrolladas en FizziQ, que permiten el acceso directo a los valores brutos de los acelerómetros. Esto ofrece a los profesores una variedad de herramientas para realizar experimentos en el aula sobre magnetismo utilizando únicamente un teléfono inteligente:
a. Campo magnético automático
Este es el valor calibrado proporcionado por el teléfono inteligente, adecuado para uso tipo brújula.
b. Campo magnético bruto
Esta es la lectura directa del magnetómetro, sin ajustes.
Se puede alinear con el valor teórico pulsando el botón "Calibración", que calcula las correcciones estáticas (hierro duro y hierro dulce) sin actualizarlas continuamente. Esto garantiza que la medición se mantenga constante para analizar el campo magnético real.
c. Campo Y y desviación del 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 en el aula sobre el campo magnético
Cuando se utiliza correctamente, el magnetómetro de los teléfonos inteligentes es una herramienta de gran utilidad para los docentes, ya que les permite ilustrar diversos conceptos relacionados con el campo magnético de la Tierra, la ley de Biot-Savart y las propiedades de los dipolos magnéticos:
a. Campo magnético de la Tierra
Al observar el componente Y del campo magnético, los estudiantes pueden determinar su componente horizontal (correspondiente a la dirección Norte de 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 verificar la relación entre el campo magnético de la Tierra y la geografía.
b. Efecto Oersted
Al colocar un teléfono inteligente dentro de una bobina que transporta 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 distribuye un campo magnético alrededor de un conductor bobinado.
c. Dipolo magnético
Con el magnetómetro, los estudiantes pueden mapear el campo magnético producido por un imán de barra (dipolo) en diferentes puntos del espacio. Esto ayuda a confirmar la ley de Coulomb para el magnetismo, que predice que la intensidad del campo disminuye como 1/d³ con la distancia.
d. Propiedades magnéticas de los materiales
Utilizando el magnetómetro, los estudiantes pueden observar cómo diferentes metales (ferromagnéticos, paramagnéticos o diamagnéticos) interactúan con un campo magnético. Los resultados pueden ilustrar aplicaciones del mundo real, como la detección de objetos metálicos enterrados en la arena o la identificación de barcos hundidos.
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 medición fiable de la orientación del teléfono en el espacio con un consumo mínimo de energía. Esta precisión es especialmente útil para juegos interactivos y aplicaciones de realidad virtual o aumentada.
Sin embargo, el uso de este sensor en el aula requiere un conocimiento profundo de su funcionamiento, en particular de los mecanismos de adquisición de datos y de los sesgos introducidos por los procesos de calibración automática de los teléfonos inteligentes, que pueden afectar a las mediciones.
Con esto en mente, hemos desarrollado un módulo dedicado a la medición del campo magnético dentro de FizziQ . Este módulo permite a los profesores realizar una amplia gama de experimentos en el aula, como el estudio del campo magnético de la Tierra, los dipolos magnéticos, el efecto Oersted y las propiedades magnéticas de diferentes materiales.
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