- Avantatges dels electroimants
- Composició i parts d'un electroimant
- sol
- Com funciona?
- Camp magnètic d'un cable recte
- El camp magnètic en el centre d'una espira
- Camp magnètic de l'solenoide ideal
- Aplicacions dels electroimants
- referències
Un electroimant és un dispositiu que produeix magnetisme a partir del corrent elèctric. Si el corrent elèctric cessa, llavors també desapareix el camp magnètic. En 1820 es va descobrir que un corrent elèctric produeix en el seu entorn un camp magnètic. Quatre anys després es va inventar i construir el primer electroimant.
El primer electroimant va consistir en una ferradura de ferro pintada amb vernís aïllant, i sobre el mateix es van atropellar divuit voltes de filferro de coure sense aïllant elèctric.
Figura 1. Electroimant. Font: pixabay
Els electroimants moderns poden tenir variades formes depenent de l'ús final que se'ls vagi a donar; i és el cable el qual va aïllat amb vernís i no el nucli de ferro. La forma més comuna de el nucli de ferro és la cilíndrica, sobre la qual s'enrotlla el filferro de coure aïllat.
Es pot fer un electroimant només amb el embobinado produint un camp magnètic, però el nucli de ferro multiplica la intensitat de camp.
Quan el corrent elèctric passa pel bobinat d'un electroimant el nucli de ferro es magnetitza. És a dir, que els moments magnètics intrínsecs de l'material s'alineen i se sumen intensificant el camp magnètic total.
El magnetisme com a tal es coneix almenys des del 600 aC, quan el grec Tales de Milet parla detalladament de l'imant. La magnetita, un mineral de ferro, produeix magnetisme de forma natural i permanent.
Avantatges dels electroimants
Un avantatge indubtable dels electroimants és que el camp magnètic pot establir-se, augmentar, disminuir o llevar per mitjà de l'control del corrent elèctric. A l'hora de fabricar imants permanents, els electroimants són necessaris.
Ara bé, ¿per què passa això? La resposta està en que el magnetisme és intrínsec a la matèria a l'igual que ho és a l'electricitat, però tots dos fenòmens es manifesten només sota determinades condicions.
No obstant això, es pot dir que la font de camp magnètic són les càrregues elèctriques en moviment o corrent elèctric. A l'interior de la matèria, a nivell atòmic i molecular, es produeixen aquests corrents que produeixen camps magnètics en totes direccions que s'anul·len entre si. Per això els materials normalment no mostren magnetisme.
La millor manera d'explicar-ho és pensar que a l'interior de la matèria s'allotgen petits imants (moments magnètics) que apunten en totes direccions, de manera que el seu efecte macroscòpic s'anul·la.
En els materials ferromagnètics, els moments magnètics poden alinear-se i formar regions denominades dominis magnètics. Quan un camp extern és aplicat, aquests dominis s'alineen.
Quan es retira el camp extern, aquests dominis no retornen a la seva posició aleatòria original, sinó que romanen parcialment alineats. D'aquesta manera el material es magnetitza i forma un imant permanent.
Composició i parts d'un electroimant
Un electroimant està compost de:
- Un bobinatge de cable aïllat amb vernís.
- Un nucli de ferro (opcional).
- Una font de corrent, que pot ser contínua o alterna.
Figura 2. Parts d'un electroimant. Font: elaboració pròpia.
El bobinat és el conductor pel qual passa el corrent que produeix el camp magnètic i s'enrotlla en forma de ressort.
En el bobinatge, les espires o voltes solen estar molt juntes. Per això és extremadament important que el cable amb el qual es realitza el bobinatge tingui aïllant elèctric, la qual cosa s'aconsegueix amb un envernissat especial. La finalitat d'l'envernissat és que tot i que les espires s'agrupin i es toquin unes amb les altres, es mantinguin elèctricament aïllades i el corrent segueixi el seu curs en espiral.
Com més gran gruix tingui el conductor d'el bobinatge, major intensitat de corrent suportarà el cable, però limita el nombre total d'espires que poden lupar-. És per aquesta raó que moltes bobines d'electroimant usen un cable prim.
El camp magnètic produït serà proporcional al corrent que passi pel conductor de l'bobinat i també proporcional a la densitat d'espires. Això vol dir que com més espires per unitat de longitud es col·loquin major serà la intensitat de camp.
Com més estretes esténn les espires de l'bobinat, major serà el nombre que càpiga en una longitud donada, augmentant la seva densitat i per tant el camp resultant. Aquesta és una altra de les raons per la qual els electroimants fan servir cable aïllat amb vernís en comptes de plàstic o un altre material, que li afegiria gruix.
sol
En un solenoide o electroimant cilíndric com el que es mostra a la figura 2, la intensitat de camp magnètic estarà donat per la següent relació:
B = μ⋅n⋅I
On B és el camp magnètic (o inducció magnètica), que en unitats de el sistema internacional es mesura en Tesla, μ és la permeabilitat magnètica de l'nucli, n és la densitat d'espires o nombre d'espires per cada metre i finalment la corrent I que circula pel embobinado que es mesura en amperes (a).
La permeabilitat magnètica de el nucli de ferro depèn de l'aliatge de el mateix i sol ser entre 200 i 5000 vegades la permeabilitat de l'aire. En aquest mateix factor es multiplica el camp resultant respecte a el d'un electroimant sense nucli de ferro. La permeabilitat de l'aire és aproximadament igual a la de l'buit, que és μ 0 = 1,26 × 10 -6 T * m / A.
Com funciona?
Per entendre el funcionament d'un electroimant cal comprendre la física de l'magnetisme.
Comencem per un simple cable recte que transporta un corrent I, aquest corrent produeix un camp magnètic B voltant del cable.
Figura 3. Camp magnètic produït per un cable recte. Font: Wikimedia Commons
Les línies de camp magnètic al voltant del cable recte són cercles concèntrics al voltant del cable conductor. Les línies de camp compleixen la regla de la mà dreta, és a dir, que si el polze de la mà dreta apunta en la direcció del corrent els altres quatre dits de la mà dreta d'indicar el sentit de circulació de les línies de camp magnètic.
Camp magnètic d'un cable recte
El camp magnètic a causa d'un cable recte a una distància r de la mateixa és:
Suposem que doblem el cable de manera que formi un cercle o espira, llavors les línies de camp magnètic de la part interior de la mateixa s'ajunten apuntant totes en la mateixa direcció, sumant-se i reforçant-. A la part interior de l'loop o cercle el camp és més intens que a la part exterior, on les línies de camp es separen i es debiliten.
Figura 4. Camp magnètic produït per un filferro en cercle. Font: Wikimedia Commons
El camp magnètic en el centre d'una espira
El camp magnètic resultant en el centre d'una espira de radi a que transporta un corrent I és:
L'efecte es va multiplicant si cada vegada dobleguem el cable perquè tingui dos, tres, quatre,… i moltes voltes. Quan vam enrotllar el cable en forma de ressort amb espires molt juntes el camp magnètic a l'interior de l'ressort és uniforme i molt intens, mentre en la part externa és pràcticament zero.
Suposem que enrotllem el cable en una espiral de 30 voltes en 1 cm de llarg i 1 cm de diàmetre. Això dóna una densitat d'espires de 3000 voltes per metre.
Camp magnètic de l'solenoide ideal
En un solenoide ideal el camp magnètic en el seu interior està donat per:
Resumint, els nostres càlculs per a un cable que condueix 1 ampere de corrent i calculant el camp magnètic en microtesles, sempre a 0,5 cm de distància a el cable en diferents configuracions:
- Cable recte: 40 microtesles.
- Cable en un cercle d'1 cm de diàmetre: 125 microtesles.
- Espiral de 300 voltes en 1 cm: 3770 microtesles = 0,003770 Tesla.
Però si afegim a l'espiral un nucli de ferro amb permitivitat relativa de 100, llavors el camp es multiplica 100 vegades, és a dir 0,37 Tesla.
També és possible calcular la força que l'electroimant en forma solenoïdal exerceix sobre una secció de l'nucli de ferro de secció transversal A:
Suposant un camp magnètic de saturació de 1,6 Tesla, la força per metre quadrat de secció d'àrea de nucli de ferro exercida per l'electroimant serà de 10 ^ 6 Newton equivalent a 10 ^ 5 quilograms força, és a dir 0,1 tones per metre quadrat de secció transversal.
Això significa que un electroimant en camp de saturació de 1,6 Tesla exerceix una força de 10 kg sobre un nucli de ferro d'1 cm 2 de secció transversal.
Aplicacions dels electroimants
Els electroimants són part de molts aparells i dispositius. Per exemple són presents a l'interior de:
- Motors elèctrics.
- Alternadors i dinamos.
- Altaveus.
- Relés o suiches electromecànics.
- Timbres elèctrics.
- Vàlvules solenoides per a control de flux.
- Discos durs d'ordinador.
- Grues elevadores de ferralla.
- Separadors de metalls de les deixalles urbanes.
- Frens elèctrics de trens i camions.
- Màquines d'imatges per ressonància magnètica nuclear.
I moltíssims dispositius més.
referències
- García, F. Camp Magnètic. Recuperat de: www.sc.ehu.es
- Tagüeña, J. i Martina, E. El magnetisme. De la brúixola a l'espín. Recuperat de: bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2. 921-954.
- Wikipedia. Electroimant. Recuperat de: wikipedia.com
- Wikipedia. Electromagnet. Recuperat de: wikipedia.com
- Wikipedia. Magnetització. Recuperat de: wikipedia.com