Electromagnetisme

 

 

El magnetisme es connex des de l’antiguitat. La construcció de la brúixola, que afectada pel camp magnètic terrestre indicava el nord, va servir de guia als navegants en la seva travessia.

Els imants s’atreuen o es repelen segon els pols enfrontats. Sense la naturalesa trobem imants naturals en forma de magnetita mineral.

Les càrregues en moviment i amb ell les corrents elèctriques generant camps magnètics, permeten la construcció de “electroimants”.

 

 

Imant i electroimants.

 

Imants i Electroimants

 

Imants

El camp magnètic al voltant d’un imant pet posar-se de manifest espargint llimades de ferro sobre un paper o vidre col·locat sobre un imant.

Es defineix coma sentit de les línies de força el del nord a sud pel exterior del imant (la que senyalaria el nord d’una brúixola posada sobre la línia).

Pols de diferent signe s’atreuen formant un únic imant quan s’ajunten. Les línies que surten del nord d’un entren en el sud de l’altre.

 

Pols d’igual signe es repel·leixen. Les línies son totes sortints o totes entrants segons els pols aproximats.

En la naturalesa podem trobar imants naturals en forma de mineral.

Alguns materials, com l’acer, al ser frontal o apropat al menys un temps a un imant adquireixen cert magnetisme re manent, que perden al aplicar-les energia que faci vibrar les seves molècules, com al ser colpejat o ser escalfats.

 

Electroimants

Oersted va observar que la corrent elèctrica pudia desviar una brúixola. El corrent crea camps magnètics i permet construir electroimants molt potents.

 

Flux i inducció

 

Flux magnètic

Les llimadures de ferro col·locades sobre un panell o vidre situats sobre un imant tendeixen a alinear-se en forma de ús.

A la vora dels pols el número de línies es mes gran i estan més juntes. A mesura que ens allunyem està més separades.

S’anomena flux magnètic al número total de línies de camp magnètic que creuen una superfície.

En el sistema internacional es mesura en webers (wb).

 

Inducció magnètica

Es defineix com a inducció magnètica , la quantitat de flux per unitat de superfície i representa, per tant, la densitat de línies de força.

En el sistema internacional es mesura en tesles (T).

 

Camp electromagnètic

Camp magnètic creat per una càrrega mòbil

Les càrregues creant camps elèctrics (llei de coulomb), però quan es mouen creant a sobre camps magnètics.

La inducció en un punt situat a una certa distància, ve donat per la llei de biot i savart i es perpendicular al pla que conté el punt i la adreça de moviment.

 

Camp magnètic creat per un conductor

La inducció per un conductor a una certa distància és tangencial a la circumferència que passa pel punt amb centre en ell conductor i ve donat per la llei d’amper.

 

Camp magnètic creat per una espira

La inducció en el centre d’una espira depèn de l’intensitat i del radi de la espira.

 

Camp magnètic creat per una bobina

La inducció en l’eix d’una bobina depèn de l’intensitat del número d’espires i de la longitud de la bobina.

 

Força electromagnètica

 

Força sobre un conductor

El corrent elèctric no és més que un gran conjunt de càrregues elèctriques desplaçant-se per un conductor. Si el conductor es veu afectat per un camp magnètic extern, sofrirà una força com suma de la força que afectada a cada una de les càrregues que es desplacen per ell.

La força és proporcional a l’intensitat, a la inducció del camp i la longitud del conductor.

 

Força entre conductors paral·lels

Dos conductors pròxims, s’afectaran mútuament. Si les corrents porten la mateixa adreça els conductors s’atreuen en cas contrari.

 

Inducció

Força electromotriu induïda

Quan un conductor es mou en un camp magnètic, tallant les seves línies de força, es produeix una força electromotriu induïda (fem) entre els extrems de conductor.

La fem o tensió induïda és més gran quant més ràpidament es tallen les línies del camp magnètic.

Les línies es troben més properes si ens movem perpendicularment al camp, aconseguint major inducció. Si desplacem el conductor en direcció paral·lela al camp, passarà entre ella sense tallar-les amb unes induccions nul·les.

La polaritat es dedueix mitjançant la regla de la mà dreta, tenint en compte que, al tractar-se d’un generador, la intensitat tendirà a sortir pel extrem positiu.

 

Llei de faraday

La força electromotriu induïda es proporcional a la variació de flux en la unitat de temps.

 

 

 

Força electromotriu induïda

Quan un conductor es mou en un camp magnètic, tallant les seves línies de força, es produeix una força electromotriu induïda (fem) entre els extrems del conductor.

 

La fem o tensió induïda es més gran quan més ràpidament es tallin les línies del camp magnètic.

Les línies es troben més pròximes si ens movem perpendicularment al camp, aconseguint major inducció.

Si desplacem el conductor en direcció paral·lela al camp, passarà entre elles sense tallar-les amb una inducció nul·la.

La polaritat es dedueix mitjançant la regla de la mà dreta, tenint en compte que, al tractar-se d’un generador, la intensitat tendirà a sortir pel extrem positiu.

 

Llei de faraday

La força electromotriu induïda es proporcional a la variació de flux es en la unitat de tems.

Autoinducció

 

Inducció i flux variables

La inducció creada per una bobina és:

Al circular corrent per un conductor genera un camp magnètic.

Si aquesta força es variable produirà sobre les n espires de la bobina una fem auto induïda:

          

Amb el camp general depèn, entre altres coses, de l’intensitat que circula, sense d’intensitat varia el camp també canvia. Les línies de flux augmenten i disminueixen amb la intensitat de corrent i també la seva posició i densitat.

 

Força electromotriu auto induïda

Segons la llei de faraday, tot conductor afectat per una variació de flux produeix una força electromagnètica induïda entre els seus extrems.

Quan un conductor produeix un flux variable, aquest mateix flux provoca en extrems del propi conductor una f.e.m., En aquest cas auto induïda, per afecte de la llei de faraday, que, per produccions a si mateix, es denomina autoinducció.

 

Permeabilitat relativa

Permeabilitat relativa

L’explicació als materials ferromagnètics es que las molècules del material formen dipols magnètics. Sense intensitat els dipols produeixen camps en totes les direccions anul·lant-se, però amb intensitat es alineen en l’adreça del camp electromagnètic reforçant-lo.

La permeabilitat magnètica total es dona en funció de la del vuit mitjançant la permeabilitat magnètica relativa.

Saturació                 

 

Al augmentar la intensitat en una bobina amb nucli ferromagnètic, la inducció creix ràpidament de forma casi lineal, però arriba a un colze a on el nucli deixa de reforçar el camp de la bobina a un colze a on el nucli deixa de reforçar el camp de la bobina. Això es deu a que quasi totes les seves molècules dipolars s’han alineat amb el camp.

 

Histèresis i perdudes

Cicle d’histèresis

Si una vegada creat un camp amb un material ferromagnètic reduint a zero la intensitat. El camp no desapareix per complet (A), sinó que queda un magnetisme remenen, degut a que alguns dels dipols degut a que alguns dels dipols moleculars no tornen a la seva posició inicial. Per a eliminar el camp remenen es necessita una intensitat en sentit contrari o negatiu (B), o aportar energia escalfant el material o amb un cop brusc,

Aplicant una corrent elèctrica (que canvia periòdicament d’adreça) es produeix la corba tancada de la figura, anomenada corba d’histèresis, produint alternativament magnetisme romanent en una i altre adreça (A) i (C).

 

Pèrdues magnètiques

Els materials ferromagnètics donen lloc a pèrdues d¡energia per escalfament proporcionat al àrea tancada pel cicle d’histèresis proporcional al àrea tancada pel cicle de histèresis. Per això es busquen materials amb gran permeabilitat relativa i cicle de histèresis. Per això es busquen materials amb gran permeabilitat relativa i cicle d’histèresis estret. Segons la llei de Faraday, els fluxos es busquen materials amb gran permeabilitat.

Els materials ferromagnètics donen lloc a pèrdues d’energia per escalfament proporcionals a l’àrea tancada pel cicle de histèresis. Per això es busquen materials amb gran permeabilitat relativa i cicle d’histèresis estret. Segons la llei de Faraday, els fluxos variables donen lloc a corrents paràsites o de Foucault en els nuclis. Per a evitar, els nuclis de les màquines elèctriques es construeixen amb xapes paral·leles en el sentit del flux aïllades entre si.

 

Fluxos:

Si una vegada creat un camp en un material ferromagnètic reduïm a zero la intensitat, el camp no desapareix per complet (A), sinó que queda un magnetisme romanent, degut a que alguns dels dipols moleculars no regressen a la seva posició inicial. Per eliminar el camp romanent es necessita una intensitat en sentit contrari o negativa (B), o aportar energia escalfant el material o amb un cop brusc.

Aplicant una corrent alterna (que canvia periòdicament d’adreça) es produeix la corba tancant de la figura, anomenada corba d’histèresis, produint alternativament magnetisme romanent en una i altre adreça, punts (A) i (C).

 

Pèrdues magnètiques

Els materials ferromagnètics donen lloc a pèrdues de energia per escalfament proporcionals a la àrea

Tancada pel cicle d’histèresis. Per això es busquen materials amb gran permeabilitat relativa i cicle d’histèresis estret. Segons la llei de faraday, els fluxos variables donen lloc a corrents parasites o de Foucault en els nuclis magnètics, tan altes que s’utilitzen en l’industria per fundis metalls. Per evitar-les, els nuclis de les màquines elèctriques es construeixen amb xapes paral·lels en el sentit del flux aïllades entre si.

 

Circuits magnètics


agrupant convenientment les variables que intervenen podem definir dues noves conceptes: la força magnetomotriu i la reluctància.

La força magnetomotriu crea més fluxos quantes més espires es posin i més intensitat fem circular per elles.

La reluctància s’oposa a la circulació del flux, augmentat amb la longitud i amb la disminució de secció.

 

Circuits magnètics

Es poden establir una analogia entre els circuits elèctrics en els que circulen una intensitat de corrent elèctrica (I) que venç les resistències del circuit (R) gracies a la força electromotriu aplicada (V), amb els circuits magnètics, a on circula un flux (o) que venc la reluctància del circuit (Rm) gracies a l’aplicació d’una força magnetomotriu (Fm).

Cada bobina te una força magnetomotriu i cada secció de nucli una reluctància, repetint-se els fluxos.