Historia y antecedentes

GENERALIDADES E HISTORIA

El método no destructivo de ensayo por corrientes inducidas, también llamadas corrientes de Foucault, o eddy currents (corrientes en torbellino), se basa en los prin­cipios de la inducción electromagnética.

Se emplea para identificar o diferenciar, lo mismo propiedades físicas, que estructura­les o metalúrgicas en todo tipo de materiales conductores.

En todos los casos de Ensayos No Destructivos (END), el material objeto de ensayo se somete a la acción de ciertos fenómenos físicos, que hacen que la energía bajo diferentes formas fluya a través del material.

Las heterogeneidades y discontinuidades provocan anomalías en el flujo de esa ener­gía (distorsión, reflexión, absorción, etc.) que se detectan desde el exterior de la mues­tra.

En el caso de las corrientes inducidas, la energía que se utiliza es electromagnética, no necesitándose ningún tipo de contacto, ni agente de acoplamiento, entre el gene­rador y la muestra.

El ensayo por corrientes inducidas es de gran versatilidad, lo que permite su uso en la resolución de problemas tales como:

- Medición de parámetros físicos:

• Conductividad

• Permeabilidad

• Tamaño del grano

• Dureza

- Detección de discontinuidades:

• Corrosiones

• Inclusiones

• Segregaciones

• Grietas

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Corrientes inducidas

- Separación de metales mezclados:

• Composición química

• Estado de tratamiento (térmico o mecánico)

• Medición de espesores de recubrimiento (tanto conductores como no conducto-res, sobre base metálica)

En particular, la medida directa de la conductividad es un método muy sencillo y rápi­do, con resultados muy fiables, utilizándose ampliamente en caracterización de mate­riales no ferromagnéticos.

La versatilidad del ensayo por corrientes inducidas es, sin embargo, un arma de dos filos. Por un lado, lo hace útil en la resolución de una amplia gama de problemas; pero, por otro, algunos ensayos pueden verse dificultados, y aun impedidos, debido a que la variable que se desea medir o detectar resulta enmascarada por la respuesta más intensa de otra variable cuya importancia tecnológica es secundaria o desprecia­ble.

La capacidad del ensayo por corrientes inducidas para resolver problemas de caracte­rización de materiales contrasta con la de otros métodos de END, como Radiología o Ultrasonidos, vinculados hoy por hoy, de manera casi exclusiva, con problemas de defectología. El caso de los Líquidos Penetrantes y Partículas Magnéticas es más claro aún.

DESARROLLO HISTÓRICO

Desde mediados del siglo XVIII, se conocía la diferencia entre conductores y aislantes, y se había descrito el fenómeno de electrización por inducción, que tenía lugar cuan­do un cuerpo cargado de electricidad se aproximaba a otro neutro.

En el primer tercio del siglo XIX, se experimentaba ya con corrientes eléctricas pro­porcionadas por baterías voltaicas. Faraday buscaba confirmar por vía experimental el paralelismo que él suponía debería existir entre el comportamiento de la "electricidad de tensión" (estática) y la corriente eléctrica. En 1831 se publicó el primer trabajo de Faraday, "Experimental research in e/ectricity''. En él se describen los poco más de doce experimentos que le permitieron sacar a la luz cada uno de los aspectos esen­ciales de la producción de efectos eléctricos por la acción magnética. Demostró que las corrientes se inducen, en efecto, en otros conductores, pero no por una corriente estacionaria o constante, sino por corriente variable.

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Historia y antecedentes

En 1864, Maxwell presentó su brillante teoría del electromagnetismo con las ecuacio­nes que llevan su nombre, y que explican los experimentos de Faraday.

Hacia 1879, Hughes, inventor del teletipo y el micrófono, realizó lo que pudiera cons­tituir el primer ensayo no destructivo por corrientes inducidas. Mediante un rudimenta­rio aparato, logró detectar diferencias de conductividad, permeabilidad, y temperatura en diversos metales. También comprobó la extraordinaria sensibilidad del método, lo que, paradójica aunque probablemente, ha sido una de las causas de su lento pro­greso.

El desarrollo de las corrientes inducidas como método con personalidad propia dentro de los END parte de la década de 1920 con los trabajos de Kranz sobre medida de espesores, y de Farrow en los años 1930 en que puso a punto un método para el con­trol de tubería soldada.

En la época inmediatamente anterior a la Segunda Guerra Mundial, Forster desarrolla la sonda que lleva su nombre y, tras la guerra, aparecen los trabajos de varios inves­tigadores que contribuyen a sentar las bases de la técnica y se desarrollan los prime­ros equipos comerciales.

En la actualidad, el desarrollo de los equipos de ensayo por corrientes inducidas se caracteriza por el uso de electrónica avanzada y microprocesadores, así como por la aparición de los primeros equipos multifrecuencia comercializados.

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1. ELECTRICIDAD

Electricidad

1.1. UNIDADES ELÉCTRICAS

1. 1. 1. El culombio: unidad de carga

En las aplicaciones prácticas de la electricidad son necesarias cargas de muchos miles de millones de protones y electrones. Por lo tanto, es conveniente definir una unidad práctica que se denomina culombio o coulomb, igual a la carga eléctrica de 6,28 · 10" electrones (o protones) almacenados en un dieléctrico. El símbolo a emplear para designar la cantidad de carga eléctrica es q. Así, por ejemplo, la carga de 6,28 . 10" se conoce como q = 1.

1. 1.2. Diferencia de potencial

Potencial significa la posibilidad de realizar trabajo. Cualquier carga tiene el potencial de realizar trabajo al mover otra carga, tanto por atracción como por repulsión. Esta capacidad que presenta una carga de realizar trabajo es su potencial.

Una carga eléctrica es el resultado del trabajo realizado al separar electrones y proto· nes. En relación con las cargas eléctricas de diferente polaridad, siempre se da un estado de esfuerzos y tensiones causado por la separación de protones y electrones, ya que en condiciones normales estas partículas se equilibran unas a otras, dando un estado de equilibrio.

1.1.3. Potencial entre cargas diferentes

Siempre que una carga eléctrica sea diferente (en signo o cantidad de carga) a otra, entre ambas habrá una diferencia de potencial.

En la Figura 1.1 (a), la carga negativa de un culombio situada a la izquierda puede realizar el trabajo necesario para repeler tres electrones. La misma carga eléctrica positiva a la derecha puede realizar el trabajo necesario para atraer tres electrones. Como resultado, seis electrones se mueven hacia la carga positiva. La diferencia de potencial entre las dos cargas es equivalente al trabajo realizado por una carga de dos culombios. En la Figura 1.1 (b), las dos cargas son del mismo signo y valor. Cada una de las cargas tiene el potencial de mover electrones, si bien la diferencia de potencial es cero. Los electrones son atraídos hacia una de las cargas y al mismo tiempo en sentido contrario, hacia la opuesta.

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Corrientes inducidas

(a) -q

(b) +q

8888 e8ee 8eee

1 culombio

eee8 8888 e888

Figura 1.1

+q

1 culombio

+q

Como resultado, no hay movimiento de electrones hacia ninguna de las cargas, ya que no hay diferencia de potencial entre dos cargas iguales de la misma polaridad. Para realizar el trabajo necesario de mover electrones en una dirección determinada entre dos cargas, éstas deben proporcionar una diferencia de potencial.

1.1.4. El voltio

La unidad de medida de la diferencia de potencial es el voltio o volt. Es la medida de la cantidad de trabajo necesaria para mover una carga de un culombio. Así, entre dos puntos habrá una diferencia de potencial de un voltio cuando, para mover entre dichos puntos una carga de 6,28 x 1 O" electrones, sea necesario emplear un trabajo de 1,03 newtons · metro. El símbolo de la diferencia de potencial es E, símbolo de la fuerza electromotriz, indicando la capacidad para hacer el trabajo necesario de mover elec­trones. La diferencia de potencial se denomina frecuentemente voltaje, ya que el vol­tio es una unidad de uso común. Conviene distinguir que mientras voltaje se refiere a la diferencia de potencial entre dos puntos, el término FEM (fuerza electromotriz) se emplea a veces para designar una fuente de voltaje.

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Electricidad

1. 1.5. Corriente eléctrica-carga en movimiento

Cuando la diferencia de potencial entre dos cargas fuerza a moverse a una tercera, la carga en movimiento constituye una corriente eléctrica. Por lo tanto, para producir corriente eléctrica, la carga ha de ser movida por una diferencia de potencial. En un material conductor como el cobre, los electrones libres son cargas que se pueden for­zar, de forma relativamente fácil, al movimiento, con una diferencia de potencial, ya que requieren poco trabajo para moverse de unos átomos a otros.

Tal como se muestra en la Figura 1.2, si se establece una diferencia de potencial entre los dos extremos de un hilo de cobre, el voltaje aplicado fuerza a los electrones libres a moverse. Esta corriente es un desplazamiento de electrones desde el punto de carga negativa en un extremo, moviéndose a través del hilo, hasta la carga positi­va en el otro extremo.

P 2 Electrones libres en cable

1

~ ese 1 e 2 9 3 9 4 6 5 6 6 9 7 6 eeeeeeeee

Cable de cobre +

P. D.= 1.5 voltios

Figura 1.2

Para ilustrar el movimiento de los electrones libres a través del cable, tal y como se muestra en la Figura 1.2, se ha numerado cada uno de los electrones de la fila cen­tral con el número correspondiente al átomo al cual pertenece el electrón libre. El electrón del extremo izquierdo se ha designado con la letra S para indicar que viene desde la carga negativa como la fuente (source) de la diferencia de potencial. Dicho electrón S es repelido desde la carga negativa - q a la izquierda y es atraído por la carga positiva + q a la derecha. Por tanto, la diferencia de potencial de la fuente de voltaje puede hacer que el electrón S se mueva hacia el átomo 1. Entonces, el átomo

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Corrientes inducidas

1 tendrá un electrón extra. Como resultado, el electrón libre del átomo 1 podrá mover­se hacia el átomo 2. De esa forma, se produce un desplazamiento de electrones libres de un átomo a otro. El resultado final es que el electrón número 8 en el extremo dere­cho sale desplazado del cable para volver a la carga positiva de la fuente de voltaje.

Al considerar este caso de un solo electrón en movimiento, lo más significativo es que el electrón que pasa al polo positivo de la fuente de voltaje no es el electrón S que inició su desplazamiento desde el polo negativo. Sin embargo, todos los electrones se comportan del mismo modo y tienen la misma carga. En conjunto, el desplazamiento de los electrones libres de un átomo a otro en el cable tiene un resultado equivalente al movimiento de la carga de un electrón de un extremo a otro. Esta carga en movi­miento es la corriente. Cuantos más electrones haya desplazándose por el cable, mayor será la carga que se desplace de un extremo al otro y, como resultado, la corriente será mayor.

La corriente circula por el cable a la velocidad de la luz, unos 297.000 km/s. Para apli­caciones normales, en las que los cables no forman líneas de gran longitud, se puede considerar que la diferencia de potencial produce una corriente instantánea en toda la longitud del cable. Además, en todos los puntos del cable la corriente es la misma para cada instante que consideremos. Aunque el punto más próximo al terminal nega­tivo de la fuente de voltaje presenta una fuerza de repulsión mayor sobre los electro­nes libres, éstos a su vez están también a una distancia mayor del polo positivo y, por tanto, son sometidos a una menor fuerza de atracción. En el punto medio del cable, los electrones libres están sometidos a fuerzas iguales de atracción y repulsión desde ambos polos de la fuente de voltaje. En el punto más próximo al borne positivo, los electrones libres están bajo la acción predominante de las fuerzas de atracción, con una influencia mínima de las fuerzas de repulsión desde el polo negativo. En todos los casos, la fuerza resultante que mueve los electrones de un átomo a otro es la misma en todos los puntos del cable, lo cual da como resultado que la corriente sea la misma en todos sus puntos.

1.1.6. Diferencia de potencial y corriente eléctrica

El número de electrones que pueden ser puestos en movimiento a lo largo del cable para producir movimiento de carga depende de la magnitud de la diferencia potencial entre sus extremos. Al aplicar un mayor voltaje, las fuerzas de atracción y repulsión pueden poner más electrones en movimiento, produciendo mayor movimiento de carga. Una cantidad de carga mayor en movimiento, manteniendo la misma velocidad

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Electricidad

de desplazamiento, significa un valor más alto de la corriente. Al disminuir el voltaje, disminuye la cantidad de carga eléctrica en movimiento, dando un valor más bajo de la corriente. Al hacer igual a cero la diferencia de potencial (voltaje aplicado nulo), no hay corriente eléctrica en el cable.

1.1.7. El amperio o ampere

La corriente eléctrica es movimiento de carga, por lo que la unidad de medida de la cantidad de corriente se puede definir en relación con el flujo de carga. Así, cuando el flujo de carga que pasa por un punto determinado es igual a 6,28 · 1 O" electrones por segundo, el valor de la corriente es de un amperio. Es el equivalente a una carga eléctrica de un culombio por segundo. Volviendo de nuevo a la Figura 1.2, tendremos que, si por el punto A pasan 6,28 · 10" electrones en un segundo, la corriente en P1 es de un amperio. De forma similar, la corriente es de un amperio en p, ya que el movimiento de electrones es el mismo a lo largo de todo el cable. Si por el punto p, pasa el doble de electrones que en el caso anterior, la corriente será entonces de dos amperios. Para representar la intensidad de corriente eléctrica se emplea el símbolo /. La intensidad de corriente designa cuantitativamente la concentración del flujo de elec­trones. A menudo la intensidad de la corriente se conoce como amperaje.

1.1.8. La resistencia eléctrica como oposición al flujo de corriente

El hecho de que un cable se caliente al circular por él una corriente eléctrica es una evidencia del trabajo que realiza el voltaje aplicado para producir corriente, venciendo ciertos fenómenos que se oponen a su circulación. Esta oposición, que limita la canti­dad de corriente que puede ser producida por el voltaje aplicado se denomina resis­tencia eléctrica. Los materiales conductores tienen muy poca resistencia eléctrica, mientras que los aislantes presentan una gran resistencia eléctrica.

Los átomos del cobre tienen un elevado número de electrones libres que pueden ser puestos en movimiento fácilmente por una diferencia de potencial. Así, el hilo de cobre presenta una oposición muy pequeña al flujo de electrones libres que se produce al aplicar un voltaje a sus extremos. Este comportamiento corresponde a un valor bajo de su resistencia eléctrica. El carbono, sin embargo, presenta menos electrones libres que el cobre. Si aplicamos el mismo voltaje que al cobre, habrá muchos menos elec­trones en movimiento y, por tanto, menor corriente. Es preciso tener en cuenta que sólo aplicando un mayor voltaje al carbono podremos llegar a conseguir la misma corriente que se obtuvo en el cobre.

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Corrientes inducidas

1.1.9. El ohmio

La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el ohmio u ohm. Una resistencia eléctrica de 1 ohmio desarrolla 0,24 calorías (1 julio) de energía calorífica cuando por ella circula una corriente de 1 amperio. Un material que sea buen conductor, como el cobre, puede tener una resistencia de 0,01 ohmios en una longitud de 300 mm, el hilo de la resistencia de un tostador de 600 vatios tiene una resistencia de 144 ohmios. El símbolo para representar la resistencia eléctrica es R. El símbolo del ohmio es la letra griega omega mayúscula (Q). En los diagramas, la resistencia se representa por una línea en zigzag (Figura 1.3).

(a) Terminales

(b)

+ Fuentedel voltaje E= 1.5 V

I Base

Carga de la resistencia R=30D

ohmios

Figura 1.3

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Electricidad

1.1. 1 O. Conductancia

Lo opuesto a la resistencia es la conductancia. Cuanto menor sea la resistencia, mayor será la conductancia. Su símbolo es la letra griega minúscula sigma (a). La uni­dad de medida es 1/ohmio, ya que a= 1/R

La conductancia del hilo conductor es igual al factor aA donde:

a = conductividad

A = sección del hilo

= longitud del hilo

1. 1. 11. Circuito eléctrico cerrado

I

En las aplicaciones eléctricas normales, los diversos componentes y elementos eléctri­cos se agrupan y disponen entre sí formando circuitos (Figura 1.3). Un circuito eléctri­co se puede definir como una trayectoria de la corriente. El fin del circuito representa­do en la Figura 1.3 (a) es iluminar la lámpara incandescente. La bombilla se ilumina cuando el filamento de tungsteno se calienta hasta cambiar al color blanco incandes­cente, emitiendo su característico resplandor luminoso. Por sí solo, el filamento no puede producir corriente. Es preciso establecer una diferencia de potencial de 1,5 vol­tios y se conectan sus bornes a cada uno de los extremos del hilo de tungsteno, con lo que la bombilla queda alimentada por el necesario voltaje.

En la Figura 1.3 (b) se representa el correspondiente diagrama de circuito. Aquí cada componente eléctrico está representado por su símbolo normalizado. Los cables de conexión son líneas simples, ya que su resistencia es suficientemente baja como para ser despreciada. Una resistencia en el cable inferior a 0,01 ohmios es prácticamente cero, comparada con los 300 ohmios de la resistencia de la bombilla. Si fuera nece­sario tener en cuenta la resistencia de los cables, siempre se puede añadir al circuito otra resistencia que represente este factor. El diagrama muestra sólo los símbolos de cada componente y sus conexiones eléctricas.

Cualquier circuito eléctrico presenta tres características principales:

1. Debe haber una fuente de diferencia de potencial. Sin aplicar voltaje, no hay flujo de corriente.

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Corrientes inducidas

2. Debe existir un circuito cerrado y completo para el flujo de corriente, desde uno de los polos de la fuente de voltaje, a través del circuito exterior y terminando en el otro polo de la fuente de voltaje.

3. Normalmente, la trayectoria de la corriente tiene resistencia eléctrica. Además de la resistencia eléctrica propia de cualquier cable de conexión, en un circuito eléctrico la resistencia eléctrica como componente de una instalación tiene como objetivos primordiales la generación de calor o el actuar como limitador de la cantidad de córriente.

Es importante tener siempre en cuenta que lo que fluye por el circuito es la corriente. La diferencia de potencial permanece estática. El voltaje aplicado a los extremos del filamento de la resistencia hace que los electrones se desplacen de un punto a otro mientras la diferencia de potencial permanece en los extremos del filamento, realizan­do el trabajo necesario para mover los electrones a través del filamento de la resis­tencia.

Según circula.la corriente por el circuito, los electrones abandonan el polo negativo (-) de la batería y la misma cantidad de electrones libres del conductor vuelven a su polo positivo (+). Con los electrones perdidos por el borne (-) y los ganados por el borne positivo ( +) las dos cargas tenderán a neutralizarse mutuamente. Sin embargo, la acción química que tiene lugar dentro de la batería separa continuamente protones y electrones para mantener las cargas positivas y negativas de sus bornes, que propor­cionan la diferencia de potencial que alimenta al circuito.

De no ser así, la corriente neutralizaría las cargas de los bornes de la batería, dando como resultado una diferencia de potencial cero, con lo que la corriente se detendría.

1. 1. 12. Corriente continua

La corriente que circula por el circuito de la Figura 1.3 (b) es corriente continua (DC), ya que circula sólo en un sentido. Este sentido es único porque la batería mantiene la polaridad como voltaje de salida. Dado que esa polaridad es la fuente de voltaje y per­manece constante, se produce corriente continua en el circuito externo. En la corrien­te alterna (AC), el voltaje invierte periódicamente su polaridad, dando lugar a una corriente que periódicamente invierte la dirección.

La Tabla 1.1 resume las características eléctricas comentadas hasta ahora.

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Tabla 1.1 Características eléctricas

Características Símbolo Unidad Descrioción

Carga q culombio o coulomb (C) Cantidad de electrones o protones almacenada. .

Voltaje E voltio o volt (V) Diferencia de potencial entre dos cargas diferentes: hace moverse los electrones.

Corriente 1 amperio o ampere (A) Electrones en movimiento.

Resistencia R ohmio u ohm(<>) Oposición al flujo de electrones que reduce la cantidad de corriente.

Conductancia a mho Inverso de la resistencia.

1.1.13. Ley de Ohm

La cantidad de corriente que circula por un circuito depende de su resistencia y del voltaje aplicado. Si son conocidos dos de los tres factores que se relacionan en la ley de Ohm, siempre es posible calcular el tercero.

Esta relación entre el voltaje, la resistencia y la corriente, fue estudiada por el mate­mático alemán George Simon Ohm. Su definición, conocida como la ley de Ohm, dice que la intensidad de corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia.

I =_f_ o Amperios = Voltios R Ohmios

donde:

I = Intensidad de la corriente que circula por el circuito (en amperios)

E = Voltaje o diferencia de potencial aplicada a los extremos de la resistencia (en voltios)

R = Resistencia eléctrica a la que se aplica el voltaje de alimentación (en ohmios)

1. 1. 14. Potencia eléctrica

Para medir la potencia eléctrica, la unidad utilizada es el vatio o watt (establecida por James Watt). La potencia de un vatio es la desarrollada a partir del trabajo que efec-

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