- Camp magnètic a física
- C
- Pols d'un imant
- fonts
- Minerals magnètics i electroimants
- Força magnètica sobre una càrrega en moviment
- Com es genera un camp magnètic?
- tipus
- La llei de Biot-Savart
- exemples
- Camp magnètic produït per un filferro rectilini molt llarg
- Camp creat per la bobina de Helmholtz
- referències
El camp magnètic és la influència que tenen les càrregues elèctriques en moviment sobre l'espai que les envolta. Les càrregues sempre tenen camp elèctric, però només les que estan en moviment poden generar efectes magnètics.
L'existència d'el magnetisme es coneix des de fa molt. Els antics grecs van descriure un mineral capaç d'atreure petits trossos de ferro: era la pedra imant o magnetita.
Figura 1. Mostra de magnetita. Font: Wikimedia Commons. Rojinegro81.
Els savis Tales de Milet i Plató es van ocupar de registrar els efectes magnètics en els seus escrits; per cert, també van conèixer l'electricitat estàtica.
Però el magnetisme no va arribar a associar-se amb l'electricitat sinó fins al segle XIX, quan Hans Christian Oersted va observar que la brúixola es desviava a les rodalies d'un filferro conductor que transportava corrent.
Avui dia sabem que l'electricitat i el magnetisme són, per així dir-ho, dues cares d'una mateixa moneda.
Camp magnètic a física
En física, el terme camp magnètic és una magnitud vectorial, amb mòdul (el seu valor numèric), direcció en l'espai i sentit. A més té dues accepcions. La primera és un vector que de vegades es denomina inducció magnètica i es denota amb B.
La unitat de B en el Sistema Internacional d'Unitats és el tesla, abreujat T. L'altra magnitud anomenada també camp magnètic és H, coneguda també com intensitat de camp magnètic i la unitat és ampere / metre.
Les dues magnituds són proporcionals, però es defineixen d'aquesta manera per tenir en compte els efectes que els materials magnètics tenen sobre els camps que els travessen.
Si a un material se li col·loca al mig d'un camp magnètic extern, el camp resultant dependrà d'aquest i també de la resposta magnètica pròpia de l'material. Per això B i H estan relacionats mitjançant:
B = μ m H
Aquí μ m és una constant que depèn de l'material i té unitats adequades perquè a l'multiplicar per H el resultat sigui tesla.
C
-El camp magnètic és una magnitud vectorial, per tant posseeix magnitud, direcció i sentit.
-La unitat de camp magnètic B en el Sistema Internacional és el tesla, abreujat com T, mentre que H és ampere / metre. Altres unitats que apareixen freqüentment en la literatura són el gauss (G) i el oersted.
-Les línies de camp magnètic sempre són llaços tancats, que surten d'un pol nord i entren a un pol sud. El camp sempre és tangent a les línies.
-Els pols magnètics sempre es presenten en parella Nord-Sud. No és possible tenir un pol magnètic aïllat.
-Es s'origina sempre en el moviment de càrregues elèctriques.
-La seva intensitat és proporcional a la magnitud de la càrrega o el corrent que el produeix.
-La magnitud de el camp magnètic decreix amb l'invers a el quadrat de la distància.
-Els camps magnètics poden ser constants o variables, tant el temps com en l'espai.
-Un camp magnètic és capaç d'exercir una força magnètica sobre una càrrega en moviment o sobre un filferro que transport corrent.
Pols d'un imant
Un imant de barra sempre té dos pols magnètics: el pol nord i el pol sud. És molt fàcil comprovar que els pols d'igual signe es repel·leixen, mentre que els de diferent tipus s'atrauen.
Això s'assembla bastant al que passa amb les càrregues elèctriques. També es pot observar que com més propers estiguin, més gran és la força amb què s'atrauen o es repel·leixen.
Els imants de barra tenen un patró distintiu de línies de camp. Són corbes tancades, que surten de l'pol nord i entren a l'pol sud.
Figura 2. Línies de camp magnètic d'un imant de barra. Font: Wikimedia Commons.
Un experiment senzill per observar aquestes línies, consisteix a escampar llimadures de ferro sobre d'un full de paper i col·locar un imant de barra per sota.
La intensitat de camp magnètic ve donada en funció de la densitat de línies de camp. Aquestes sempre són més denses prop dels pols, i s'estenen a mesura que ens allunyem de l'imant.
A l'imam també se'l coneix com un dipol magnètic, en què els dos pols són precisament els pols magnètics nord i sud.
Però mai no poden separar-se. Si es talla l'imant a la meitat, s'obtenen dos imants, cadascun amb els seus respectius pols nord i sud. Als pols aïllats se'ls crida monopols magnètics, però fins a la data no s'ha aconseguit aïllar algun.
fonts
Es pot parlar de diverses fonts de camp magnètic. Van des minerals magnètics, passant per la pròpia Terra, que es comporta com un gran imant, fins arribar als electroimants.
Però la veritat és que tot camp magnètic té el seu origen en el moviment de partícules carregades.
Més endavant veurem que la font primordial de tot magnetisme resideix en les minúscules corrents a l'interior de l'àtom, principalment les que es produeixen a causa dels moviments dels electrons al voltant de l'nucli i als efectes quàntics presents en l'àtom.
No obstant això en quant al seu origen macroscòpic, pot pensar-se en fonts naturals i fonts artificials.
Les fonts naturals en principi no es "s'apaguen", són imants permanents, però cal tenir en compte que la calor destrueix el magnetisme propi de les substàncies.
Pel que fa a les fonts artificials, l'efecte magnètic es pot suprimir i controlar. Per tant tenim:
-Imanes d'origen natural, fets de minerals magnètics com magnetita i maghemita, tots dos òxids de ferro, per exemple.
-Corrents elèctrica i electroimants.
Minerals magnètics i electroimants
A la natura hi ha diversos compostos que exhibeixen notables propietats magnètiques. Són capaços d'atreure trossos de ferro i níquel, per exemple, així com a altres imants.
Els òxids de ferro esmentats, com la magnetita i la maghemita, són exemples d'aquesta classe de substàncies.
La susceptibilitat magnètica és el paràmetre que s'utilitza per quantificar les propietats magnètiques de les roques. Les roques ígnies bàsiques són les de més alta susceptibilitat, pel seu alt contingut de magnetita.
D'altra banda, sempre que es tingui un filferro que transport corrent, hi haurà un camp magnètic associat. Aquí tenim una altra forma de generar un camp, que en aquest cas, adopta la forma de circumferències concèntriques amb el filferro.
El sentit de circulació de camp ve donat per la regla de l'polze dret. Quan el polze de la mà dreta apunta en la direcció del corrent, els quatre dits restants indicaran el sentit en què es corben les línies de camp.
Figura 3. Regla de el polze dret per obtenir l'adreça i el sentit de el camp magnètic. Font: Wikimedia Commons.
Un electroimant és un dispositiu que produeix magnetisme a partir de corrents elèctrics. Té l'avantatge de poder encendre i apagar a voluntat. Quan el corrent cessa, el camp magnètic desapareix. A més la intensitat de camp també es pot controlar.
Els electroimants formen part de diversos dispositius, entre els quals es troben altaveus, discs durs, motors i relés, entre d'altres.
Força magnètica sobre una càrrega en moviment
Es pot comprovar l'existència d'un camp magnètic B mitjançant una càrrega elèctrica de prova -anomenada q- i que es mogui amb velocitat v. Per a això es descarta, al menys de moment, la presència de camps elèctrics i gravitacionals.
En aquest cas, la força que experimenta la càrrega q, a la qual es denota com F B, s'ha de íntegrament a la influència de camp. Qualitativament s'observa el següent:
-La magnitud de F B és proporcional aqya la rapidesa v.
-Si la v és paral·lela a el vector camp magnètic, la magnitud de F B és zero.
-La força magnètica és perpendicular tant a v com a B.
-Finalment, la magnitud de la força magnètica és proporcional a sin θ, sent θ l'angle entre el vector velocitat i el vector camp magnètic.
Tot l'anterior és vàlid tant per a càrregues positives com per a càrregues negatives. L'única diferència és que el sentit de la força magnètica s'inverteix.
Aquestes observacions concorden amb el producte vectorial entre dos vectors, de manera que la força magnètica experimentada per una càrrega puntual q, que es mou amb velocitat v al mig d'un camp magnètic és:
F B = q v x B
Que el seu mòdul és:
Figura 4. Regla de la mà dreta per la força magnètica sobre una càrrega puntual positiva. Font: Wikimedia Commons.
Com es genera un camp magnètic?
Hi ha diverses maneres, per exemple:
-Mitjançant imantació d'una substància apropiada.
-Fent passar un corrent elèctric per un filferro conductor.
Però l'origen de l'magnetisme en la matèria s'explica recordant que ha d'estar associat a el moviment de càrregues.
Un electró orbitant a l'nucli és en essència un minúscul circuit tancat de corrent, però capaç de contribuir substancialment a el magnetisme de l'àtom. Hi ha moltíssims electrons en un tros de material magnètic.
Aquesta contribució a l'magnetisme de l'àtom s'anomena moment magnètic orbital. Però hi ha més, perquè la translació no és l'únic moviment de l'electró. Aquest també posseeix moment magnètic d'espín, un efecte quàntic la analogia és la d'una rotació de l'electró sobre el seu eix.
De fet, el moment magnètic d'espín és la causa principal de l'magnetisme d'un àtom.
tipus
El camp magnètic és capaç d'adoptar moltes formes, depenent de la distribució de corrents que l'origini. Al seu torn, pot variar no solament en l'espai, sinó també en el temps o en tots dos alhora.
-En les rodalies dels pols d'un electroimant es té un camp aproximadament constant.
-També a l'interior d'un solenoide s'obté un camp d'alta intensitat i uniforme, amb les línies de camp dirigides al llarg de l'eix axial.
-El camp magnètic de la Terra s'aproxima bastant bé a camp d'un imant de barra, sobretot en les rodalies de la superfície. Més lluny, el vent solar modifica els corrents elèctrics i el deforma notablement.
-Un filferro que transporta corrent posseeix un camp en forma de circumferències concèntriques amb el filferro.
Pel que fa a si el camp pot o no variar en el temps, es tenen:
-Camps magnètics estàtics, quan ni la seva magnitud ni la seva direcció canvien amb el temps. El camp d'un imant de barra és un bon exemple d'aquest tipus de camp. També els que s'originen per filferros que transporten corrents estacionaris.
-Camps variables amb el temps, si alguna de les seves característiques varia amb el temps. Una forma d'obtenir-los és a partir de generadors de corrent altern, que fan ús de l'fenomen d'inducció magnètica. Es troben en nombrosos dispositius d'ús comú, per exemple telèfons mòbils.
La llei de Biot-Savart
Quan es requereix calcular la forma de camp magnètic produït per una distribució de corrents, es pot fer ús de la llei de Biot-Savart, descoberta en 1820 pels físics francesos Jean Marie Biot (1774-1862) i Félix Savart (1791-1841).
Per a algunes distribucions de corrent amb geometries senzilles, es pot obtenir directament una expressió matemàtica per al vector camp magnètic.
Suposem que es té un segment de filferro de longitud diferencial dl que transporta un corrent elèctric I. També es suposarà que el filferro està en el buit. El camp magnètic que produeix aquesta distribució:
-Decrece amb l'invers a el quadrat de la distància a la corda fluixa.
-És proporcional a la intensitat del corrent I que transita pel filferro.
-La seva adreça és tangencial a la circumferència de radi r centrada a la corda fluixa i el seu sentit ve donat, per la regla de l'polze dret.
- μ o = 4π. 10 -7 Tm / A
- d B és un diferencial de camp magnètic.
- I és la intensitat del corrent que circula pel filferro.
- r és la distància entre el centre de la corda fluixa i el punt on es desitja trobar al camp.
-r és el vector que va des del filferro fins al punt on es desitja calcular el camp.
exemples
A continuació hi ha dos exemples de camp magnètic i les seves expressions analítiques.
Camp magnètic produït per un filferro rectilini molt llarg
Mitjançant la llei de Biot-Savart es pot obtenir el camp produït per un prim filferro conductor finit que transporta un corrent I. A l'efectuar la integració al llarg de l'conductor i prenent el cas límit en què aquest és molt llarg, la magnitud de camp resulta:
Camp creat per la bobina de Helmholtz
La bobina de Helmholtz està formada per dues bobines circulars idèntiques i concèntriques, a les quals se'ls fa passar el mateix corrent. Serveixen per crear un camp magnètic aproximadament uniforme al seu interior.
Figura 5. Esquema de les bobines de Helmholtz. Font: Wikimedia Commons.
La seva magnitud en el centre de la bobina és:
I està dirigit al llarg de l'eix axial. Els factors de l'equació són:
- N representa el nombre de voltes de les bobines
- I és la magnitud del corrent
- μ o és la permeabilitat magnètica de l'buit
- R és el radi de les bobines.
referències
- Figueroa, D. (2005). Sèrie: Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 1. Cinemàtica. Editat per Douglas Figueroa (USB).
- Intensitat de camp magnètic H. Recuperat de: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada a l'món. 6ta Edició abreujada. Cengage Learning.
- Magnetic Field and Magnetic Forces. Recuperat de: physics.ucf.edu.
- Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson.
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 2. 7dt. Ed. Cengage Learning.
- Universitat de Vigo. Exemples de magnetisme. Recuperat de: quintans.webs.uvigo.es