unitat 4_1

El camp magnètic: pols, línies de força, flux i inducció Un imant té la propietat d’atreure i subjectar el ferro i, a petita escala, el níquel, el cobalt i alguns aliatges. Cada molécula de material imantat és un petit iman amb els seus pols corresponents. Imants naturals i artificials (corrent elèctrica)

L’estudi dels efectes magnètics produïts pel corrent elèctric s’anomena electromagnetisme.

www.xtec.es/cgi/digital?F=F&REGISTRE=5846

Un dels errors freqüents és la creença que “un imant atrau els metalls”. Coure, acer, alumini, etc

Camp magnètic d’un imant Científi cament, rep el nom de camp la regió de l’espai on es posa de manifest l’accióde forces magnètiques. Un camp magnètic només exerceix forces sobre els materials que es poden magnetitzar. Imants i càrregues elèctriques en moviment Línies de força

Inducció i flux magnètics La força d’atracció i repulsió dels imants creix en acostar­se als pols i disminueix en allunyar­se’n.

Podem visualitzar el camp amb una cartolina un imant i llimadures de ferro. Es veu que la intensitat es superior als pols

La inducció magnética B és una magnitud vectorial que equival a la força puntual que el camp exerceix sobre la unitat de massa magnètica enaquell punt, i és proporcional al nombre de línies de força per unitat desuperfície.

Es mesura en Tesla (T)

El flux del camp magnètic Φ és el producte de la superfície S perpendicular a les línies de força i el de la inducció B. La unitat en el SI és el weber (Wb).

Φ = B S = 1 T · 1 m2 = 1 Wb Φ = B S cos ϕ

Si la superfície forma un angle ϕ amb la normal a les línies de força

Camp magnètic creat per un corrent elèctric Oersted (físic danès) va observar que una agulla magnètica podia ser desviada per l'efecte d'un corrent elèctric. Aquest descobriment va posar de manifest l'existència d'una connexió entre l'electricitat i el magnetisme.

http://museovirtual.csic.es/sala1.htm

Camp magnètic creat en un conductor rectilini Tal com va observar Oersted, quan per un conductor rectilini hi circula un corrent elèctric, crea un camp magnètic que desvia la brúixola, i la col∙loca perpendicular al conductor.

El camp magnètic creat és format per línies de força circulars situades en un pla perpendicular al conductor.

El seu sentit, segons la regla de Maxwell, és el d’un tirabuixó que avanci en el mateix sentit que el del corrent.

Camp magnètic creat en un conductor circular o espira Totes les línies de força travessenperpendicularment la superfície S de l’espira. Una de les seves cares és el pol nord i l’altra, el pol sud. Per determinar el sentit del camp podem aplicar la regla de Maxwell

Camp magnètic creat en un solenoide o bobina. Permeabilitat magnètica

Un solenoide o bobina s’utilitza per produir camps magnètics intensos i relativament uniformes en una petita regió de l’espai. El camp magnètic total és la suma dels camps creats per cada espira i és similar al d’un imant recte, amb un pol nord en un extrem de la bobina i un pol sud a l’altre extrem.

El valor de la seva inducció magnètica es calcula mitjançant l’expressió:

La permeabilitat magnètica del medi μ és un valor que depèn de la facilitat que té el medi per concentrar o dispersar les línies de força i per tant ens indica la capacitat del medi per conduir el camp magnètic.

La permeabilitat magnètica en el buit (serveix de referència) o en l'aire val:

μ0=4π ⋅10−7 (Tm/A)

La permeabilitat que ens interesa és la relativa μ r

μ = r

μ μ0

Els materials ferromagnètics s’utilitzen per construir els nuclis dels electroimants i els circuits magnètics en general Veure videos electromagnetisme

Intensitat o excitació del camp magnètic (H ) El camp magnètic creat per una bobina es pot reforçar considerablement si al seu interior hi posem un nucli de material ferromagnètic.

Una bobina amb un nucli de material ferromagnètic constitueix un electroimant, dispositiu de gran aplicació per a les màquines elèctriques La intensitat magnètica (H, unitat A/m) representa el camp magnètic creat exclusivament per la bobina i és la relació entre la inducció magnètica i la permeabilitat.

Inducció magnètica

Nombre d'espires Intensitat de corrent

Intensitat camp magnètic

Longitud de la bobina (m) Permeabilitat del medi

Circuits magnètics El circuit magnètic és l’espai ocupat per les línies d’inducció en la seva trajectòria.

A l’interior d’un solenoide el camp magnètic és pràcticament uniforme. Quan es tanca per l’exterior per l’aire, les línies es dispersen i augmenta la superfície del camp alhora que disminueix la inducció En les aplicacions industrials, es construeixen els circuits magnètics de manera que les línies d’inducció es dispersin el mínim que sigui possible

Inducció electromagnética. FEM induïda. Autoinducció Hem vist que els corrents elèctrics creen camps magnètics. Ara estudiarem l’efecte invers, és a dir, com els camps magnètics generen corrents elèctrics.

Reproduïm l’experiència de Faraday i Henry fent servir un dispositiu molt simple: una bobina connectada a un amperímetre d’agulla i un imant

La desviació de l’agulla de l’amperímetre augmenta a mesura que augmenta la velocitat amb què movem l’element mòbil, quan augmentem el nombre d’espires de la bobina o quan utilitzem un imant més potent.

Aquests corrents elèctrics s’anomenen corrents induïts i el fenomen, inducció electromagnètica. El circuit en què apareixen és l’induït, i l’imant o la bobina que el crea és l’inductor. És important incidir en el fet que només es crea força electromotriu induïda en el moment que hi ha variació del flux, ja que quan l’imant o la bobina no tenen cap moviment relatiu entre ells, no es crea cap FEM induïda.

Generalitzant, totes les variacions del flux magnètic a través d’un circuit tancat originen un corrent induït, més intens com més ràpides siguin les variacions.

Curiositat La gàbia de Faraday és un apantallament que té aplicacions importants en la vida quotidiana. El forn microones, per evitar la sortida de les radiacions a l’exterior i no provocar cremades en les persones que l’estan manipulant, està concebut en l’estructura d’apantallament en gàbia de Faraday. La gàbia de Faraday és un recurs emprat per fer demostracions d’alta tensió, de manera que els experiments realitzats no travessen la gàbia, ja sigui de dins cap a fora o de fora cap a dins.

Imatges espectaculars http://tesladownunder.com/ Gabia de Faraday Microones

http://www.youtube.com/watch?v=bZwlD­Z0zmE http://www.youtube.com/watch?v=mUWxYesR5Wo http://www.consumer.es/economia­domestica/infografias/

Bloqueig mòvil. radio http://www.youtube.com/watch?v=IHyqL3N6li4 Cotxe, avió, etc

http://www.youtube.com/watch?v=036hpBvjoQw http://asterion.almadark.com/2008/09/10/la­jaula­de­faraday/

FEM induïda

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/index.html

Sabem que si per un circuit circula un corrent elèctric és perquè hi ha una força electromotriu (FEM) que el crea. En variar el flux magnètic que travessa un circuit tancat s’origina una FEM

Valor i sentit de la FEM El valor de la FEM creada en un conductor que es mou dins d’un camp magnètic és:

El sentit de la FEM induïda ve donada per la regla de la mà dreta: Si situem la mà dreta estesa, de manera que el camp magnètic entra pel palmell de la mà i el dit polze assenyala el moviment del conductor, la resta de dits indiquen el sentit de la FEM induïda i, per tant, també del corrent induït

FEM induïda en una espira tancada

Si una espira de longitud l es mou perpendicularment en un camp magnètic uniforme d’inducció B, a una velocitat v, i tanquem el circuit, circularà un corrent I pel circuit tancat, ja que es crea una FEM induïda de valor: ε = B l v La intensitat que recorre una espira com a conseqüència d’una FEM induïda genera també un camp magnètic, el qual interacciona amb les variacions del camp magnètic que genera la FEM induïda. Aquesta interacció es produeix de manera que el camp magnètic que genera el corrent induït s’oposa a la variació del camp magnètic extern.

Heinrich Lenz, físic rus, va estudiar els fenòmens electromagnètics i va enunciar una llei que permet conèixer el sentit del corrent induït. Es pot definir així: El sentit del corrent induït és tal que s’oposa a la causa que el produeix també el podem definir en funció del flux: El flux creat per un corrent induït té un sentit que s’oposa a la variació del flux que el crea.

FEM engendrada en una espira que gira dins d’un camp magnètic

Si disposem d’una espira i la fem girar dins d’un camp magnètic, de manera que contínuament estigui sotmesa a una variació de flux, s’engendrarà una FEM induïda de característiques molt peculiars, el valor de la qual es:

ε = εmàx

sin ωt

La FEM induïda és alterna, variable en magnitud i sentit. I com que els seus valors instantanis són proporcionals als valors que pren el sinus de 0° a 360°, s’anomena FEM alterna sinusoïdal.

Aquest és el principi de funcionament dels generadors elèctrics industrials Si la bobina alimenta un circuit exterior de resistènc R, serà recorreguda per un corrent que val:

i = Imàx

sin ωt

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/generator/ac.html