Magnetisme i electromagnetisme

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

2. 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

3. 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)

4. 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

5. 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.

6. 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.

7. 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

8. μ
μ =
r
μ0
Els materials ferromagnètics s’utilitzen per
construir els nuclis dels electroimants i els
circuits magnètics en general
Veure videos electromagnetisme

9. 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

10. 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

11. 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.

12. 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.

13. 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 http://www.youtube.com/watch?v=bZwlD­Z0zmE
http://www.youtube.com/watch?v=mUWxYesR5Wo
Microones 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/

14. 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

15. 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.

16. 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