Magnetisme i electromagnetisme
Imants naturals i artificials
Entre els minerals de ferro extrets per a la indústria metal·lúrgica hi ha un mineral anomenat mineral de ferro magnètic. Aquest mineral té la propietat d'atreure objectes de ferro cap a si mateix.
Una peça d'aquest mineral de ferro s'anomena imant natural i la propietat d'atracció que presenta és el magnetisme.
Avui en dia, el fenomen del magnetisme s'utilitza molt àmpliament en diverses instal·lacions elèctriques. Tanmateix, ara utilitzen imants no naturals, sinó els anomenats artificials.
Els imants artificials estan fets d'acers especials. Una peça d'aquest acer es magnetitza d'una manera especial, després de la qual cosa adquireix propietats magnètiques, és a dir, es converteix en imant permanent.
La forma dels imants permanents pot ser molt diversa, depenent de la seva finalitat.
En un imant permanent, només els seus pols tenen forces gravitatòries. S'acorda que l'extrem orientat al nord de l'imant s'anomena imant del pol nord i l'extrem orientat al sud és l'imant del pol sud. Cada imant permanent té dos pols: nord i sud. El pol nord d'un imant s'indica amb la lletra C o N, el pol sud amb la lletra Yu o S.
L'imant atrau el ferro, l'acer, el ferro colat, el níquel i el cobalt. Tots aquests cossos s'anomenen cossos magnètics. Tots els altres cossos que no són atrets per un imant s'anomenen cossos no magnètics.
L'estructura de l'imant. Magnetització
Cada cos, inclòs el magnètic, està format per les partícules més petites: molècules. A diferència de les molècules dels cossos no magnètics, les molècules d'un cos magnètic tenen propietats magnètiques, que representen imants moleculars. Dins d'un cos magnètic, aquests imants moleculars estan disposats amb els seus eixos en diferents direccions, de manera que el propi cos no presenta cap propietat magnètica. Però si aquests imants es veuen obligats a girar al voltant dels seus eixos de manera que els seus pols nord giren en una direcció i els seus pols sud en l'altra, aleshores el cos adquirirà propietats magnètiques, és a dir, es convertirà en un imant.
El procés pel qual un cos magnètic adquireix les propietats d'un imant s'anomena magnetització... En la producció d'imants permanents, la magnetització es realitza amb l'ajuda d'un corrent elèctric. Però podeu magnetitzar el cos d'una altra manera, utilitzant un imant permanent normal.
Si es talla un imant rectilini al llarg d'una línia neutra, s'obtindran dos imants independents, es conservarà la polaritat dels extrems de l'imant i apareixeran pols oposats als extrems obtinguts com a resultat del tall.
Cadascun dels imants resultants també es pot dividir en dos imants, i per molt que continuem amb aquesta divisió, sempre obtindrem imants independents amb dos pols. És impossible obtenir una barra amb un pol magnètic. Aquest exemple confirma la posició que el cos magnètic consta de molts imants moleculars.
Els cossos magnètics es diferencien entre si pel grau de mobilitat dels imants moleculars. Hi ha cossos que es magnetitzen ràpidament i amb la mateixa rapidesa es desmagneteixen. Per contra, hi ha cossos que es magnetitzen lentament però conserven les seves propietats magnètiques durant molt de temps.
Així doncs, el ferro es magnetitza ràpidament sota l'acció d'un imant extern, però amb la mateixa rapidesa es desmagnetitza, és a dir, perd les seves propietats magnètiques quan es retira l'imant.L'acer, després de ser magnetitzat, conserva les seves propietats magnètiques durant molt de temps, és a dir , es converteix en un imant permanent.
La propietat del ferro de magnetitzar i desmagnetitzar ràpidament s'explica pel fet que els imants moleculars del ferro són extremadament mòbils, giren fàcilment sota la influència de forces magnètiques externes, però amb la mateixa rapidesa tornen a la seva posició desordenada anterior quan el cos magnetitzant està eliminat.
En ferro, però, una petita proporció dels imants, i després de l'eliminació de l'imant permanent, encara romanen durant algun temps en la posició que ocupaven en el moment de la magnetització. Per tant, després de la magnetització, el ferro conserva propietats magnètiques molt febles. Això es confirma pel fet que quan es va treure la placa de ferro del pol de l'imant, no tota la serradures va caure del seu extrem: una petita part va romandre atreta per la placa.
La propietat de l'acer de romandre magnetitzat durant molt de temps s'explica pel fet que els imants moleculars de l'acer gairebé no giren en la direcció desitjada durant la magnetització, però conserven la seva posició estable durant molt de temps fins i tot després de l'eliminació del cos magnetitzador.
La capacitat d'un cos magnètic d'exhibir propietats magnètiques després de la magnetització s'anomena magnetisme residual.
El fenomen del magnetisme residual és causat pel fet que en un cos magnètic hi ha una anomenada força retardadora que manté els imants moleculars en la posició que ocupen durant la magnetització.
En el ferro, l'acció de la força retardadora és molt feble, amb el resultat que es desmagnetitza ràpidament i té molt poc magnetisme residual.
La propietat del ferro de magnetitzar i desmagnetitzar ràpidament s'utilitza molt àmpliament en enginyeria elèctrica. N'hi ha prou amb dir que els nuclis de cadascun electroimantsels utilitzats en aparells elèctrics són de ferro especial amb un magnetisme residual extremadament baix.
L'acer té un gran poder de retenció, per la qual cosa es conserva la propietat del magnetisme. aixo es perqué imants permanents estan fets d'aliatges d'acer especials.
Les propietats dels imants permanents es veuen afectades negativament per cops, impactes i fluctuacions sobtades de temperatura. Si, per exemple, un imant permanent s'escalfa al vermell i després es deixa refredar, perdrà completament les seves propietats magnètiques. De la mateixa manera, si sotmeteu un imant permanent a cops, la seva força d'atracció disminuirà significativament.
Això s'explica pel fet que amb un fort escalfament o xocs, es supera l'acció d'una força retardadora i, per tant, es pertorba la disposició ordenada dels imants moleculars. Per tant, els imants permanents i els dispositius d'imants permanents s'han de manipular amb cura.
Línies de força magnètiques. Interacció dels pols dels imants
Al voltant de cada imant hi ha un anomenat camp magnètic.
Un camp magnètic s'anomena l'espai en què les forces magnètiques... El camp magnètic d'un imant permanent és aquella part de l'espai en què actuen els camps d'un imant rectilini i les forces magnètiques d'aquest imant.
Les forces magnètiques del camp magnètic actuen en determinades direccions... Les direccions d'acció de les forces magnètiques acordaven anomenar-se línies de força magnètiques... Aquest terme és molt utilitzat en l'estudi de l'enginyeria elèctrica, però cal recordar-ho. que les línies de força magnètiques no són materials: aquest és un terme convencional introduït només per facilitar la comprensió de les propietats del camp magnètic.
La forma del camp magnètic, és a dir, la ubicació de les línies del camp magnètic a l'espai depèn de la forma del propi imant.
Les línies de camp magnètic tenen una sèrie de propietats: sempre estan tancades, no es creuen mai, tendeixen a fer el camí més curt i es repelen si apunten en la mateixa direcció. En general s'accepta que les línies de força surten del pol nord. de l'imant i entra al seu pol sud; dins de l'imant, tenen una direcció des del pol sud fins al nord.
Igual que els pols magnètics es repel·len, a diferència dels pols magnètics que s'atrauen.
És fàcil convèncer-se de la correcció d'ambdues conclusions a la pràctica. Agafeu una brúixola i porteu-hi un dels pols d'un imant rectilini, per exemple, el pol nord. Veureu que la fletxa girarà instantàniament el seu extrem sud cap al pol nord de l'imant. Si gireu ràpidament l'imant 180 °, l'agulla magnètica girarà immediatament 180 °, és a dir, el seu extrem nord s'enfrontarà al pol sud de l'imant.
Inducció magnètica. Flux magnètic
La força d'acció (atracció) d'un imant permanent sobre un cos magnètic disminueix a mesura que augmenta la distància entre el pol de l'imant i aquest cos. Un imant presenta la força d'atracció més gran directament als seus pols, és a dir, exactament on es troben les línies de força magnètiques més densament. Allunyant-se del pol, la densitat de les línies de força disminueix, es troben cada cop més rarament, juntament amb això, la força d'atracció de l'imant també es debilita.
Així, la força d'atracció d'un imant en diferents punts del camp magnètic no és la mateixa i es caracteritza per la densitat de les línies de força. Per caracteritzar el camp magnètic en els seus diferents punts, s'introdueix una magnitud anomenada inducció de camp magnètic.
La inducció magnètica del camp és numèricament igual al nombre de línies de força que passen per una àrea d'1 cm2, situades perpendicularment a la seva direcció.
Això vol dir que com més gran sigui la densitat de línies de camp en un punt determinat del camp, més gran serà la inducció magnètica en aquest punt.
El nombre total de línies magnètiques de força que passen per qualsevol regió s'anomena flux magnètic.
El flux magnètic es denota amb la lletra F i està relacionat amb la inducció magnètica mitjançant la següent relació:
Ф = BS,
on F és el flux magnètic, V és la inducció magnètica del camp; S és l'àrea penetrada per un flux magnètic donat.
Aquesta fórmula només és vàlida si l'àrea S és perpendicular a la direcció del flux magnètic. En cas contrari, la magnitud del flux magnètic també dependrà de l'angle en què es troba l'àrea S, i aleshores la fórmula adoptarà una forma més complexa.
El flux magnètic d'un imant permanent ve determinat pel nombre total de línies de força que passen per la secció transversal de l'imant.Com més gran sigui el flux magnètic d'un imant permanent, més atractiu serà aquest imant.
El flux magnètic d'un imant permanent depèn de la qualitat de l'acer del qual està fet l'imant, de la mida del propi imant i del grau de magnetització.
Permeabilitat magnètica
La propietat d'un cos de permetre el flux magnètic a través de si mateix s'anomena permeabilitat magnètica... És més fàcil que el flux magnètic passi per l'aire que per un cos no magnètic.
Ser capaç de comparar diferents substàncies segons les seves permeabilitat magnètica, s'acostuma a considerar que la permeabilitat magnètica de l'aire és igual a la unitat.
S'anomenen substàncies amb permeabilitat magnètica inferior a la unitat diamagnètica... Inclouen coure, plom, plata, etc.
Alumini, platí, llauna, etc. Tenen una permeabilitat magnètica lleugerament superior a la unitat i s'anomenen substàncies paramagnètiques.
Les substàncies amb una permeabilitat magnètica molt superior a una (mesurada en milers) s'anomenen ferromagnètiques. Aquests inclouen níquel, cobalt, acer, ferro, etc. A partir d'aquestes substàncies i els seus aliatges es produeixen tot tipus de dispositius magnètics i electromagnètics i peces de diverses màquines elèctriques.
D'interès pràctic per a les tecnologies de la comunicació són els aliatges especials ferro-níquel anomenats permaloides.