Fenomene magnetice

Studiul câmpului magnetic, al electromagnetismului și al inducției electromagnetice.

Magneții permanenți și câmpul magnetic

Un magnet este un corp care atrage obiecte din fier, nichel, cobalt și aliajele lor. Orice magnet are doi poli: polul nord (N) și polul sud (S), acolo unde acțiunea magnetică este cea mai puternică.

Regula fundamentală: polii de același fel se resping, polii de nume diferite se atrag.

O proprietate care se cere neapărat: polii nu pot fi separați. Dacă tai un magnet bară în două, nu obții un pol nord separat și un pol sud separat, ci doi magneți completi, fiecare cu ambii poli. Oricât ai continua tăierea, rezultatul e același. Aceasta este o deosebire esențială față de sarcinile electrice, care pot exista separat, pozitive sau negative.

Câmpul magnetic este regiunea din jurul unui magnet în care se manifestă forțe magnetice. El se reprezintă prin linii de câmp, cu următoarele reguli:

• în exteriorul magnetului, liniile ies din polul nord și intră în polul sud;
• liniile sunt curbe închise, care se continuă prin interiorul magnetului;
• nu se intersectează niciodată;
• sunt mai dese acolo unde câmpul este mai intens, adică lângă poli.

Pământul se comportă ca un magnet uriaș. Atenție la capcana clasică: în apropierea polului nord geografic se află polul sud magnetic al Pământului — tocmai de aceea acul busolei, cu polul lui nord, este atras într-acolo.

Materialele se împart în feromagnetice (fier, nichel, cobalt — se magnetizează puternic) și materiale practic nemagnetice (cupru, aluminiu, lemn, plastic, sticlă).

Câmpul magnetic al curentului electric

Oersted a observat că un ac magnetic aflat lângă un conductor deviază atunci când prin conductor trece curent. Concluzia: curentul electric creează câmp magnetic. Magnetismul și electricitatea sunt fețele aceluiași fenomen.

Forma câmpului depinde de forma conductorului:

• Conductor rectiliniu – liniile de câmp sunt cercuri concentrice în jurul firului, în plane perpendiculare pe el. Sensul se află cu regula burghiului drept: burghiul înaintează în sensul curentului, iar sensul de rotire dă sensul liniilor. Câmpul este cu atât mai intens cu cât curentul este mai mare și cu cât distanța față de fir este mai mică.
• Spiră circulară – liniile trec prin interiorul spirei, care capătă o față „nord” și o față „sud”.
• Bobină (solenoid) – câmpul din interior este aproape uniform, iar bobina se comportă exact ca un magnet bară.

Electromagnetul este o bobină cu miez de fier moale. Intensitatea câmpului lui crește dacă:

• crește intensitatea curentului;
• crește numărul de spire;
• se introduce un miez feromagnetic.

Avantajul lui față de un magnet permanent este că poate fi pornit, oprit, reglat și că i se pot inversa polii prin schimbarea sensului curentului. Aplicații: soneria, releul, macaraua electromagnetică, difuzorul, motorul electric.

Greșeala frecventă: se crede că electromagnetul rămâne magnetizat după oprirea curentului. Cu miez de fier moale nu rămâne — asta e chiar rațiunea alegerii materialului.

Forța electromagnetică

Dacă un conductor parcurs de curent este introdus într-un câmp magnetic exterior, asupra lui se exercită o forță electromagnetică, numită și forța Ampère. Explicația e simetrică cu experimentul lui Oersted: acolo curentul mișca magnetul, aici magnetul „mișcă” firul cu curent.

Valoarea forței, pentru un conductor așezat perpendicular pe liniile de câmp:

F = B·I·l

unde B este inducția câmpului magnetic, măsurată în tesla (T), I intensitatea curentului, iar l lungimea porțiunii de conductor aflate în câmp.

Caracteristici importante ale forței:

• este perpendiculară atât pe conductor, cât și pe liniile de câmp;
• își schimbă sensul dacă inversăm sensul curentului sau dacă inversăm polii magnetului; dacă inversăm ambele, sensul rămâne același;
• devine zero când conductorul este așezat paralel cu liniile de câmp — situația cea mai des ratată la itemii cu figură.

Aplicația fundamentală este motorul electric: o bobină parcursă de curent, plasată între polii unui magnet, primește forțe de sensuri opuse pe cele două laturi, iar perechea de forțe o rotește. Colectorul inversează periodic sensul curentului prin bobină, astfel încât rotația să continue în același sens.

Alte aplicații: difuzorul, instrumentele de măsură cu cadru mobil (ampermetre, voltmetre analogice), trenurile pe pernă magnetică.

Inducția electromagnetică

Dacă un curent produce câmp magnetic, se poate și invers? Răspunsul, dat de Faraday, este da, dar cu o condiție esențială: câmpul magnetic trebuie să fie variabil.

Inducția electromagnetică este fenomenul de apariție a unei tensiuni electromotoare într-un circuit atunci când fluxul magnetic prin suprafața circuitului se modifică. Curentul care apare se numește curent indus.

Cum se poate obține variația fluxului:

• apropiind sau depărtând un magnet de o bobină;
• mișcând bobina față de magnet;
• rotind bobina în câmp magnetic;
• variind curentul dintr-o bobină vecină.

Punctul care se verifică cel mai des: dacă magnetul stă nemișcat în interiorul bobinei, oricât de puternic ar fi, nu apare niciun curent indus. Fluxul este constant, deci nu există inducție. Contează variația, nu valoarea.

Legea lui Lenz dă sensul curentului indus: acesta are întotdeauna un sens astfel încât să se opună cauzei care l-a produs. Dacă apropii polul nord al unui magnet de bobină, curentul indus circulă astfel încât fața bobinei dinspre magnet să devină tot nord, respingându-l. Dacă îndepărtezi magnetul, curentul se inversează și bobina îl atrage, încercând să îl rețină.

Legea lui Lenz nu este o regulă arbitrară: ea este o consecință a conservării energiei. Dacă ar fi invers, magnetul s-ar accelera singur, iar energia electrică ar apărea din nimic.

Generatorul, curentul alternativ și transformatorul

Generatorul electric aplică direct inducția electromagnetică: o bobină este rotită în câmpul magnetic al unui magnet, fluxul prin ea variază continuu, iar la borne apare o tensiune. Energia mecanică de rotație se transformă în energie electrică.

Tensiunea produsă își schimbă periodic sensul: este tensiune alternativă, iar curentul rezultat este curent alternativ. Mărimile caracteristice sunt perioada T și frecvența f = 1/T, măsurată în hertzi (Hz). În rețeaua din România, frecvența este de 50 Hz, iar tensiunea de 230 V.

Transformatorul este format din două bobine, primarul (N1 spire) și secundarul (N2 spire), înfășurate pe un miez comun din tole de fier. Curentul alternativ din primar creează un câmp magnetic variabil, care induce tensiune în secundar:

U1/U2 = N1/N2

• dacă N2 > N1, transformatorul ridică tensiunea;
• dacă N2 < N1, transformatorul coboară tensiunea.

La un transformator ideal, puterea se păstrează: U1·I1 = U2·I2. Deci dacă tensiunea crește, intensitatea scade proporțional — transformatorul nu creează energie.

Două puncte-cheie de examen. Primul: transformatorul funcționează doar în curent alternativ. În curent continuu fluxul ar fi constant, deci nu s-ar induce nimic în secundar. Al doilea: la transportul energiei electrice se ridică tensiunea la sute de mii de volți tocmai pentru ca intensitatea să fie mică, iar pierderile prin efect termic, proporționale cu I², să se reducă drastic.

Test — 6 întrebări ca la examen