¿Cómo pueden los circuitos "puramente" eléctricos emitir sonido?

Las membranas en movimiento o los materiales piezoeléctricos obviamente producen ondas de sonido, pero ¿cómo pueden los circuitos "puramente" eléctricos como los transformadores o los interruptores DCDC (y otros) a menudo tener un ruido audible? ¿El material se expande y se encoge microscópicamente con la corriente?

Todo es un altavoz, o un micrófono, o ambos. La mayoría de las cosas simplemente no lo hacen intencionalmente y, por lo general, no son tan eficientes :)
los transformadores no son 'puramente eléctricos' en el sentido de que hay cables que transportan una corriente alterna en un campo magnético alterno que ejerce una fuerza sobre ellos.
Gracias por señalarlo, aunque agregué las comillas por este tipo de razones.
creo que cuando exploten, producirán sonido
Busca en Wikipedia el efecto Barkhausen o ruido Barkhausen.
No sabía que había circuitos "puramente" eléctricos. Todos ellos tienen que existir en un universo físico.
Aunque ese es un buen punto, es por eso que agregué comillas. Por favor lea los comentarios anteriores
Solo quiero dejar esto aquí youtube.com/watch?v=bbLshnfu0wY :-)

Respuestas (9)

Lo que realmente está preguntando es cómo los circuitos eléctricos pueden causar pequeños movimientos. Después de todo, el sonido es movimiento del aire.

La respuesta es que hay varias formas en que los campos eléctricos o las corrientes eléctricas pueden causar fuerzas o movimientos. Estos efectos se aprovechan en el diseño de varios transductores , que existen para causar o detectar deliberadamente pequeños movimientos. Sin embargo, las leyes de la física que permiten que estos transductores funcionen no se detienen fuera de la caja del transductor. Existen en todas partes, por lo que muchas cosas son transductores no deseados. La diferencia es que, por lo general, el efecto es bastante débil sin que esté diseñado deliberadamente como en un transductor.

Algunos de estos efectos son:

  1. Fuerza electrostática . Dos objetos a diferente voltaje tendrán una fuerza entre ellos. La fuerza es proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la distancia. Esta es la misma fuerza que permite que un globo se adhiera a tu cabello después de frotarlo contra un gato o algo así. Para los circuitos ordinarios, esta fuerza es muy débil y los conductores se mantienen en su lugar con mucha más fuerza que ella. Aún así, a veces puede obtener un sonido audible de esto con circuitos de alto voltaje.

  2. Fuerza electrodinámica . Una carga en movimiento crea un campo magnético circular a su alrededor. El campo magnético es proporcional a la corriente y se puede hacer bastante fuerte enrollando el cable en una bobina. Este campo magnético se puede hacer para mover cosas y es la base del funcionamiento de los solenoides, motores y altavoces.

    Las cargas en movimiento también experimentan una fuerza si fluyen a través de un campo magnético con la orientación correcta. La mayoría de los altavoces en realidad funcionan según este principio; están hechos para que se fije un fuerte imán permanente y se mueva la bobina, que a su vez mueve el centro del cono del altavoz. Lo mismo sucede en cualquier inductor. Cada pieza de cable con corriente a través de él experimenta alguna fuerza debido al campo magnético general. Como resultado, parte del zumbido que escuchas de los transformadores son piezas individuales de cable que se mueven un poco.

  3. Efecto piezoeléctrico . Algunos materiales, como el cuarzo, por ejemplo, cambiarán ligeramente de tamaño o forma en función del campo eléctrico aplicado. Algunos auriculares pequeños funcionan según este principio. También hay micrófonos de "cristal" que funcionan según este principio a la inversa, lo que significa que aplicar fuerza al cristal hace que genere un voltaje. Los encendedores de parrillas de barbacoa comunes funcionan según este principio al golpear un cristal de cuarzo con fuerza y ​​de repente lo suficiente como para crear un voltaje lo suficientemente alto como para provocar una chispa.

    Algunos materiales de capacitores exhiben suficiente de este efecto que, cuando se montan rígidamente en una placa de circuito, pueden causar un sonido audible. Tuve que volver a girar una tabla una vez y reemplazar una tapa de cerámica con un electrolítico solo porque la cerámica estaba causando un molesto gemido audible.

  4. Efecto magnetoestrictivo . Este es el análogo magnético del efecto piezoeléctrico. Algunos materiales cambian de forma o tamaño según el campo magnético aplicado, y este efecto también funciona a la inversa. He trabajado en sensores magnéticos que explotan este efecto.

    Los materiales en los transformadores e inductores se eligen para que no tengan este efecto, pero de todos modos hay una pequeña cantidad. El núcleo de un inductor en realidad cambia de tamaño muy ligeramente a medida que cambia el campo magnético. Esto puede causar un sonido audible, especialmente si el inductor está acoplado mecánicamente a algo que presenta un área mayor al aire, como una placa de circuito.

+1 ¡Ahora tendré que encontrar un gato para frotar un globo contra él y probar la fuerza electrostática! :)
Bien organizado, completo y en general excelente respuesta como de costumbre. Gracias por contribuir tanto en SE Olin.
@Mister: gracias, pero alguien piensa que esta respuesta es incorrecta, engañosa o está mal escrita, ya que recibió un voto negativo. QUIEN VOTO EN CONTRA DE ESTO: Explique a qué se opone exactamente.
Los enemigos de @OlinLathrop simplemente van a odiar. tener mi +1.

Un inductor o transformador ideal podría ser un componente puramente electrónico, pero un inductor o transformador real produce un campo magnético (que cambia rápidamente). Es un objetivo de diseño de dicho componente mantener ese campo magnético dentro del componente (por ejemplo, dentro del núcleo ferromagnético), pero eso no se logrará al 100%. El campo magnético de 'fugas' hará que las cosas se muevan (vibren), y estas cosas harán que el aire a su alrededor se mueva de la misma manera. Presto: un altavoz electromagnético (no deseado).

Probablemente se pueda tener un efecto similar en los capacitores de alto voltaje, donde las placas conductoras se atraen entre sí dependiendo del voltaje. Esto corresponde a un altavoz electrostático :)

Un tercer efecto son los efectos piezoeléctricos (no deseados) en los componentes. No estoy seguro de si este es realmente el caso en un nivel observable.

No creo que tenga nada que ver con "El campo magnético de 'fugas'...". Los cables envueltos alrededor de un núcleo de un inductor o transformador ejercen una fuerza debido al campo electromagnético. Ese campo está cambiando (¡o el transformador o el inductor no sirven de mucho!), por lo que los componentes de la pieza se están moviendo, lo que hace que el sonido se mueva a través del aire. ¡Simples!
Gracias por su respuesta, es particularmente interesante completar/ilustrar la respuesta de Olin.

No se está expandiendo o contrayendo el material que emite el sonido en circuitos basados ​​en transformadores o inductores. Sin embargo, las piezas se están moviendo.

Los transformadores están sujetos a fuerzas mecánicas significativas causadas por los campos electromagnéticos alternos. Eso hace que los cables y las láminas se muevan y, por lo tanto, emitan sonido. Los convertidores CC-CC a menudo tienen inductores bobinados, que también se mueven por la misma razón.

aquí hay uno más

Sonido al cambiar las propiedades del plasma o gas circundante debido a la exposición de un campo eléctrico y/o descarga eléctrica

Basado en el "Singing Arc" que fue descubierto alrededor de 1900 por William Duddell, el ionófono o, como se le suele llamar, altavoz/tweeter de plasma (en realidad se usa en altavoces) produce ondas de sonido cargando plasma para cambiar el tamaño del plasma dentro de un generalmente campo estrecho entre electrodos. Debido a la masa muy pequeña que debe moverse, este altavoz puede producir una reproducción muy precisa de las ondas que alimentan los electrodos, especialmente bueno para frecuencias altas.

Otro efecto que aún no se ha abordado es el enderezamiento del cable bajo carga: los cables tienden a enderezarse cuando la corriente pasa a través de ellos, ya sea de manera microscópica o visible. El cable dentro de los devanados de un transformador de potencia trata de enderezarse muy levemente de 100 a 120 veces por segundo (dependiendo de la frecuencia de la energía municipal).

Este fenómeno se puede observar muy fácilmente cuando se "arranca con puente" un vehículo con cables de puente más bien pequeños, especialmente si el vehículo que se está arrancando tiene una batería muy descargada. Cuando el motor de arranque está activado, a menudo es fácil ver que los cables de puente "saltan" y se endurecen a medida que se enderezan ligeramente bajo una carga pesada.

Estoy dispuesto a creer en los fenómenos de 'enderezar cables'. Sin embargo, si eso es fuerza electromagnética, esto es evidencia, pero no una explicación alternativa. Un conductor recto sería una configuración mínima para la fuerza electromagnética a través de un cable. Entonces, ¿estás ofreciendo esta respuesta como evidencia? ¿O hay una explicación de la fuerza no electromagnética?
@gbulmer, no estoy seguro de tener una buena explicación para el fenómeno, ya sea de naturaleza magnética o simplemente una manifestación del hecho de que los electrones y los huecos tienen una ligera preferencia por el viaje en línea recta. Ciertamente, no creo que mi respuesta sea "la única respuesta correcta", pero tampoco creo que esta pregunta tenga una respuesta única; creo que hay muchas causas.
Siempre supuse que era un calentamiento resistivo en los cables de puente, lo que provocaba la expansión.
La corriente demandada por el motor de arranque es bastante pesada. ¿No sería un efecto magnético la explicación más probable?
@TDHofstetter: está bien, creo que entiendo. Newton dijo que todo tiene preferencia por el viaje en línea recta, así que no creo que eso me diga nada. Creo que el electromagnetismo es una explicación comprensible, medible y bien entendida. La deriva de electrones IIRC es de solo unas decenas de centímetros/segundo y, en comparación con la mayor parte del cobre en el cable, su masa es pequeña (masa atómica de cobre 63,5, masa de electrones 5,5e-4, es decir, 10e-5 más pequeña), por lo que parece varios órdenes de magnitud demasiado pequeños para explicar su observación. Tal vez alguien pueda desmentir eso.
Muy interesante, gracias por tu respuesta. Sin embargo, me gustaría ver más apoyo y explicación de ese fenómeno.
Al igual que yo, todo lo que tengo es observación personal y un poco de teoría.
Gbulmer tiene razón. Un conductor recto proporciona la mínima intensidad de campo magnético local para una corriente dada. Un cambio en la corriente eléctrica en un conductor (como cuando activa el motor de arranque por primera vez) produce un campo magnético cambiante. Este a su vez trata de inducir una corriente opuesta en el conductor. Estas fuerzas en oposición explican el enderezamiento del conductor. Sin embargo, el efecto es solo transitorio. No sucede una vez que la corriente es constante, ya que un campo magnético constante no induce corriente en nada.
@JamieHanrahan: si "No sucede una vez que la corriente es constante" es cierto, eso no lo explica; He visto cables de puente permanecer rígidos mientras el motor de arranque estaba en marcha.
Hm. Yo diría que no lo explica completamente . Bueno, la corriente del motor de arranque no es constante. O... Puede ser algo mucho más simple: el campo magnético alrededor del cable lo mantiene en posición al acero de la carrocería del automóvil. Ciertamente es el caso de que necesita un campo magnético cambiante (en cualquier dirección) para inducir corriente; es por eso que no existe la reactancia inductiva a la CC.
@JamieHanrahan, me encantaría decir que la proximidad al acero lo explica, pero eso funcionaría solo cuando los cables fueran adyacentes al acero en lugar de abarcar un amplio espacio entre los vehículos.
Sigo pensando que la explicación electrodinámica es suficiente.

Las membranas en movimiento o los materiales piezoeléctricos obviamente producen ondas de sonido, pero ¿cómo pueden los circuitos "puramente" eléctricos como los transformadores o los interruptores de CC/CC (y otros) a menudo tener un ruido audible? ¿El material se expande y se encoge microscópicamente con la corriente?

Mientras que otros han explicado muy bien la parte sobre el movimiento del material, un punto clave es que el ruido audible requiere movimiento en el rango audible humano . Por lo general, eso significa de 20 Hz a 20 kHz, pero puede ser un poco más bajo o más alto, además de tener en cuenta la edad o la pérdida auditiva. Cualquier cosa que oscile por encima o por debajo de ese rango (infrasónico o ultrasónico) normalmente no se escuchará. Sin embargo, por suerte, ese rango es el típico que se usa en muchos circuitos, desde choppers de CC/CC, transformadores, inversores de panel EL, PWM para circuitos de luz, por lo que a menudo es un subproducto.

Por supuesto, es posible que los humanos/adultos no escuchen el ruido electrónico audible en rangos más altos, pero a los animales tampoco les gustará.

Ha habido mucha teoría aquí. En la práctica, normalmente se trata de cables sueltos de inductores. Dar golpecitos a las bobinas (¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ el esmalte puede ayudar a controlarlo.

La pregunta era más sobre por qué sucede, no sobre cómo solucionarlo.

Según mi experiencia, la mayoría de las veces que un transformador hace ruido se debe a una laminación suelta o un montaje suelto. Un picador mecánico hace ruido porque la caña que "pica" la corriente se mueve/vibra. Obviamente todo lo que se mueve, hace un sonido. Un transformador generalmente produce un zumbido de 60 Hz, mientras que un interruptor depende de la frecuencia para la que fue diseñado (típicamente 400 Hz).

No creo que el material se expanda y contraiga microscópicamente, pero si lo fuera, la frecuencia sería tan alta que sería inaudible. Además, es posible que no sea lo suficientemente fuerte.

Los únicos circuitos puramente no mecánicos que pueden producir sonidos son los transmisores de microondas. Pero cocinarán tu cerebro.

Creo que el OP estaba buscando cosas que emitieran ondas de sonido en el aire, no otros efectos que se perciban como sonido.
¿Cómo pueden los circuitos "puramente" eléctricos emitir sonido?
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