- Història i descobriment
- aplicacions antigues
- Primers estudis científics
- investigacions modernes
- Propietats magnètiques dels materials
- Ferromagnetisme, paramagnetisme i diamagnetisme
- Usos de l'energia magnètica
- Algunes aplicacions de l'energia magnètica
- Avantatges i desavantatges
- Energies primàries i secundàries
- Característiques de les energies primàries i secundàries
- Exemples d'energia magnètica
- L'energia magnètica d'una bobina
- exercici resolt
- solució
El magnetisme o energia magnètica és una força de la natura associada a el moviment de càrregues elèctriques i capaç de produir atracció o repulsió en certes substàncies. Els imants són fonts ben conegudes de magnetisme.
A l'interior d'aquests es produeixen interaccions que es tradueixen en la presència de camps magnètics, els quals exerceixen la seva influència sobre petits trossos de ferro o níquel, per exemple.
Els bells colors de les aurores boreals es deuen al fet que les partícules còsmiques emeten energia a l'ésser desviades pel camp magnètic de la Terra. Font: Pixabay.
El camp magnètic d'un imant es fa visible quan l'hi col·loca sota un paper sobre el qual s'escampen llimadures de ferro. Les llimadures immediatament s'orienten al llarg de les línies de camp, creant una imatge d'aquest en dues dimensions.
Una altra font ben coneguda són els filferros que transporten corrent elèctric; però a diferència dels imants permanents, el magnetisme desapareix quan cessa el corrent.
Sempre que es produeix un camp magnètic en algun lloc, algun agent va haver de realitzar treball. L'energia invertida en aquest procés queda emmagatzemada en el camp magnètic creat i pot considerar-se llavors com a energia magnètica.
El càlcul de quanta energia magnètica s'emmagatzema en el camp depèn d'aquest i de la geometria de el dispositiu o de la regió on s'ha creat.
Els inductors o bobines són bons llocs per a això, creant energia magnètica de manera semblant a com es guarda energia elèctrica entre les plaques d'un condensador.
Història i descobriment
aplicacions antigues
Les llegendes contades per Plini sobre l'antiga Grècia parlen de pastor Magnes, que fa més de 2000 anys va trobar un mineral misteriós capaç d'atraure trossos de ferro, però no així altres materials. Es tractava de magnetita, un òxid de ferro amb fortes propietats magnètiques.
La raó de l'atracció magnètica va romandre oculta durant centenars d'anys. En el millor dels casos es va atribuir a fets sobrenaturals. Tot i que no per això es van deixar de trobar aplicacions interessants per a aquesta, com la brúixola.
La brúixola inventada pels xinesos fa ús de l'magnetisme de la pròpia Terra perquè l'usuari s'orienti durant la navegació.
Primers estudis científics
L'estudi dels fenòmens magnètics va tenir un gran avanç gràcies a William Gilbert (1544 - 1603). Aquest científic anglès de l'època isabelina va estudiar el camp magnètic d'un imant esfèric i va concloure que la Terra havia de posseir un camp magnètic propi.
A partir del seu estudi dels imants, també es va adonar que no podia obtenir pols magnètics separats. Quan un imant és seccionat en dos, els nous imants també tenen dos pols.
No obstant això, va ser al començament de segle XIX quan els científics es van adonar de l'existència de la relació que hi havia entre el corrent elèctric i el magnetisme.
Hans Christian Oersted (1777 - 1851), nascut a Dinamarca, va tenir en 1820 l'ocurrència de fer passar un corrent elèctric a través d'un conductor i observar l'efecte que això tenia en una brúixola. La brúixola es desviava, i quan el corrent cessava de fluir, la brúixola tornava a apuntar com sempre a nord.
Aquest fenomen es pot comprovar apropant la brúixola a un dels cables que surten de la bateria de cotxe, mentre s'acciona l'arrencada.
En el moment de tancar el circuit l'agulla ha d'experimentar una deflexión observable, ja que les bateries dels cotxes poden subministrar corrents prou altes com perquè la brúixola es desviï.
D'aquesta manera va quedar clar que les càrregues en moviment són les que donen origen a el magnetisme.
investigacions modernes
Pocs anys després dels experiments d'Oersted, l'investigador britànic Michael Faraday (1791 - 1867) va marcar una altra fita a l'descobrir que els camps magnètics variables donen lloc al seu torn a corrents elèctrics.
Tots dos fenòmens, elèctrics i magnètics, estan estretament vinculats entre si, sent que cadascú pot donar lloc a l'altre. De unificar-es va encarregar el deixeble de Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), en les equacions que porten el seu nom.
Aquestes equacions contenen i resumeixen la teoria electromagnètica i tenen validesa encara dins de la física relativista.
Propietats magnètiques dels materials
Per què alguns materials exhibeixen propietats magnètiques o adquireixen magnetisme fàcilment? Sabem que el camp magnètic es deu a càrregues en moviment, per tant a l'interior de l'imant ha d'haver corrents elèctrics invisibles que donen lloc a l'magnetisme.
Tota la matèria conté electrons orbitant a l'nucli atòmic. A l'electró se li pot comparar amb la Terra, que té un moviment de translació al voltant de el Sol i també un de rotació sobre el seu eix.
La física clàssica li atribueix a l'electró moviments semblants, tot i que l'analogia no és d'el tot exacta. No obstant això, el punt és que les dues propietats de l'electró fan que aquest es comporti com una minúscula espira que crea camp magnètic.
És l'espín de l'electró la propietat que més contribueix a el camp magnètic de l'àtom. En els àtoms amb molts electrons, aquests s'agrupen per parells i amb espines oposats. Així, els seus camps magnètics s'anul·len entre si. Això és el que succeeix en gran part dels materials.
No obstant això, hi ha alguns minerals i compostos en els quals hi ha un electró desaparellat. D'aquesta manera, el camp magnètic net no és nul. Es crea així un moment magnètic, un vector la magnitud és el producte del corrent per l'àrea de l'circuit.
Els moments magnètics contigus interactuen entre si i formen regions anomenades dominis magnètics, en la qual molts espins estan alineats en la mateixa direcció. El camp magnètic resultant és molt intens.
Ferromagnetisme, paramagnetisme i diamagnetisme
Els materials que posseeixen aquesta qualitat es denominen ferromagnètics. Són uns pocs: el ferro, el níquel, el cobalt, el gadolini i alguns aliatges d'aquests.
La resta dels elements de la taula periòdica no té aquests efectes magnètics tan pronunciats. Cauen en la categoria de paramagnètics o diamagnètics.
De fet el diamagnetisme és una propietat de tots els materials, els quals experimenten una lleugera repulsió en presència d'un camp magnètic extern. El bismut és l'element amb el diamagnetisme més accentuat.
Per la seva banda, el paramagnetisme consisteix en una resposta magnètica menys intensa que el ferromagnetisme però igualment d'atracció. Substàncies paramagnètiques són per exemple l'alumini, l'aire i alguns òxids de ferro com la goetita.
Usos de l'energia magnètica
El magnetisme forma part de les forces fonamentals de la natura. Com els éssers humans també formen part d'ella, estan adaptats a l'existència dels fenòmens magnètics, així com la resta de la vida al planeta. Per exemple, alguns animals utilitzen el camp magnètic de la Terra per orientar-geogràficament.
De fet, es creu que els ocells realitzen les seves llargues migracions gràcies al fet que en els seus cervells posseeixen una espècie de brúixola orgànica que els permet percebre i utilitzar el camp geomagnètic.
Si bé els humans no tenen una brúixola com aquesta, en canvi tenen l'habilitat de modificar l'entorn de moltes més formes que la resta de el regne animal. Així, els membres de la nostra espècie han utilitzat el magnetisme per al seu profit des del mateix instant en què el primer pastor grec va descobrir la pedra imant.
Algunes aplicacions de l'energia magnètica
A partir de llavors són moltes les aplicacions de l'magnetisme. Heus aquí unes quantes:
- La brúixola ja esmentada, que fa ús de el camp geomagnètic de la Terra per orientar-se geogràficament.
- Antigues pantalles de televisors, ordinadors i oscil·loscopis, basades en el tub de raigs catòdics, que donen feina bobines que generen camps magnètics. Aquests s'encarreguen de desviar el feix d'electrons perquè impacti en determinats llocs de la pantalla, formant així la imatge.
- Espectròmetres de masses, utilitzats per estudiar diversos tipus de molècules i amb moltes aplicacions en bioquímica, criminologia, antropologia, història i altres disciplines. Fan ús de camps elèctrics i magnètics per desviar les partícules carregades en trajectòries que depenen de la seva velocitat.
- Propulsió magnetohidrodinàmica, en què una força magnètica impulsa un raig d'aigua de mar (bona conductora) cap enrere, perquè per tercera llei de Newton, un vehicle o embarcació rebi un impuls cap endavant.
- Ressonància magnètica, un mètode no invasiu per obtenir imatges de l'interior de el cos humà. Bàsicament es serveix d'un camp magnètic molt intens i s'analitza la resposta dels nuclis d'hidrogen (protons) presents en els teixits, els quals posseeixen la propietat ja esmentada de l'espín.
Aquestes aplicacions ja estan establertes, però a futur es creu que el magnetisme pot també de combater malalties com el càncer de mama, mitjançant les tècniques hipertérmicas, que produeixen calor induït magnèticament.
La idea és injectar magnetita fluïda directament a l'tumor. Gràcies a la calor produïda pels corrents induïts magnèticament, les partícules de ferro s'escalfarien prou com per destruir les cèl·lules malignes.
Avantatges i desavantatges
Quan es pensa en l'ús d'un determinat tipus d'energia, es requereix la seva conversió en algun tipus de moviment com el d'una turbina, un ascensor o un vehicle, per exemple; o bé que es transformi en energia elèctrica que s'encengui algun dispositiu: telèfons, televisions, 1 caixers automàtics i coses per l'estil.
L'energia és una magnitud amb múltiples manifestacions que pot ser modificada de moltes maneres. Pot l'energia d'un petit imant amplificar perquè mogui contínuament alguna cosa més que unes poques monedes?
Per ser aprofitable, l'energia ha de tenir un gran abast i procedir d'una font molt abundant.
Energies primàries i secundàries
En la naturalesa es troben tals energies, a partir de les quals es produeixen els altres tipus. Es coneixen com energies primàries:
- Energia solar.
- Energia atòmica.
- Energia geotèrmica.
- Energia eòlica.
- Energia de la biomassa.
- Energia dels combustibles fòssils i minerals.
Les energies secundàries, com l'electricitat i la calor, es produeixen a partir d'aquestes. On queda l'energia magnètica aquí?
L'electricitat i el magnetisme no són dos fenòmens separats. De fet, tots dos units es coneixen com a fenòmens electromagnètics. Sempre que hi hagi un d'ells hi haurà l'altre.
On hi ha energia elèctrica, hi haurà energia magnètica d'alguna manera. Però aquesta és una energia secundària, que requereix la prèvia transformació d'alguna de les energies primàries.
Característiques de les energies primàries i secundàries
Els avantatges o els desavantatges de l'ús d'alguna classe d'energia s'estableixen d'acord a molts criteris. Entre ells destaquen com de fàcil i barata és la seva producció, i també quant és capaç d'influir negativament el procés en l'ambient i en les persones.
Una cosa important per tenir en compte és que les energies es transformen moltes vegades abans que puguin ser utilitzades.
Quantes transformacions van haver de passar per fabricar l'imant amb el que deixarà enganxada la llista de compres a la porta de la nevera? Quantes per construir un cotxe elèctric? Segurament bastants.
I com de neta és l'energia magnètica o electromagnètica? N'hi ha que creuen que l'exposició constant als camps electromagnètics d'origen humà causen problemes de salut i ambientals.
Actualment existeixen nombroses línies d'investigació dedicades a estudiar la influència d'aquests camps en la salut i l'ambient, però d'acord a prestigioses organitzacions internacionals, no existeix fins al moment evidència concloent que siguin nocius.
Exemples d'energia magnètica
Un dispositiu que serveix per a contenir energia magnètica es coneix com a inductor. És una bobina que es forma enrotllant filferro de coure amb suficient nombre de voltes, i és útil en molts circuits per a restringir el corrent i evitar que canviï bruscament.
Bobina de coure. Font: Pixabay.
A l'fer circular un corrent per les espires d'una bobina, es crea al seu interior un camp magnètic.
Si el corrent canvia, també ho fan les línies de camp magnètic. Aquests canvis indueixen a les espires un corrent que s'oposa a ells, segons la llei d'inducció de Faraday-Lenz.
Quan el corrent augmenta o disminueix sobtadament, la bobina s'oposa a això, per tant pot tenir efectes protectors en el circuit.
L'energia magnètica d'una bobina
En el camp magnètic creat en el volum delimitat per les espires de la bobina s'emmagatzema l'energia magnètica, a la qual es denotarà com U B i que depèn de:
- La intensitat de camp magnètic B.
- L'àrea de la secció transversal de la bobina A.
- La longitud de la bobina l.
- La permeabilitat de l'buit μ o.
Es calcula de la següent manera:
Aquesta equació és vàlida en qualsevol regió de l'espai on hi hagi un camp magnètic. Si es coneix el volum V d'aquesta regió, la seva permeabilitat i la intensitat de camp, és possible calcular quanta energia magnètica posseeix.
exercici resolt
El camp magnètic de l'interior d'una bobina plena d'aire de 2.0 cm de diàmetre i 26 cm de longitud és de 0.70 T. Quanta energia s'emmagatzema en aquest camp?
solució
Se substitueixen els valors numèrics en l'equació anterior, tenint la cura de convertir els valors a les unitats de el Sistema Internacional.
- Giancoli, D. 2006. Física: Principis amb Aplicacions. Sisena Edició. Prentice Hall. 606- 607.
- Wilson, JD 2011. Física 12. Pearson. 135-146.