CÂMP MAGNETIC: INTENSITATE, CARACTERISTICI, SURSE, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Câmpul magnetic este influența pe care o au sarcinile electrice în mișcare asupra spațiului care le înconjoară. Încărcările au întotdeauna un câmp electric, dar numai cele care sunt în mișcare pot genera efecte magnetice.

Existența magnetismului este cunoscută de multă vreme. Grecii antici au descris un mineral capabil să atragă mici bucăți de fier: era vorba de lagăr sau magnetită.

Figura 1. Proba de magnetită. Sursa: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Înțelepții Thales of Miletus și Platon au fost ocupați înregistrând efecte magnetice în scrierile lor; apropo, ei știau și electricitate statică.

Însă magnetismul nu a devenit asociat cu electricitatea până în secolul al XIX-lea, când Hans Christian Oersted a observat că busola se abate în vecinătatea unui fir conductor care transporta curent.

Astăzi știm că energia electrică și magnetismul sunt, ca să zic așa, două laturi ale aceleiași monede.

Câmp magnetic în fizică

În fizică, termenul câmp magnetic este o cantitate vectorială, cu modul (valoarea sa numerică), direcție în spațiu și sens. Are și două semnificații. Primul este un vector uneori numit inducție magnetică și este notat cu B .

Unitatea lui B din Sistemul internațional de unități este tesla, prescurtată T. Cealaltă cantitate numită și câmp magnetic este H , cunoscută și sub denumirea de intensitate a câmpului magnetic și a cărei unitate este ampere / metru.

Ambele cantități sunt proporționale, dar sunt definite în acest mod pentru a ține cont de efectele pe care materialele magnetice le au asupra câmpurilor care le trec.

Dacă un material este plasat în mijlocul unui câmp magnetic extern, câmpul rezultat va depinde de acest lucru și, de asemenea, de răspunsul magnetic propriu al materialului. De aceea, B și H sunt legate de:

B = μ _m H

Aici μ _m este o constantă care depinde de material și are unități adecvate astfel încât atunci când se înmulțește cu H rezultatul este tesla.

C

-Câmpul magnetic este o magnitudine vectorială, prin urmare are magnitudine, direcție și sens.

-Unitatea câmpului magnetic B din Sistemul internațional este tesla, prescurtată ca T, în timp ce H este amper / metru. Alte unități care apar frecvent în literatura de specialitate sunt gauss (G) și oersted.

-Liniile câmpului magnetic sunt întotdeauna bucle închise, lăsând un pol nord și intrând într-un pol sud. Câmpul este întotdeauna tangent cu liniile.

-Polii magnetici sunt întotdeauna prezentați într-o pereche Nord-Sud. Nu este posibil să existe un pol magnetic izolat.

-Întotdeauna provine din mișcarea sarcinilor electrice.

-Intensitatea sa este proporțională cu mărimea încărcăturii sau cu curentul care o produce.

-Mărimea câmpului magnetic scade cu inversul pătratului distanței.

-Câmpurile magnetice pot fi constante sau variabile, atât în ​​timp, cât și în spațiu.

-Un câmp magnetic este capabil să exercite o forță magnetică pe o sarcină în mișcare sau pe un fir care transportă curent.

Polii unui magnet

Un magnet cu bare are întotdeauna doi poli magnetici: polul nord și polul sud. Este foarte ușor să verificați că poli de același semn se resping, în timp ce cei de diferite tipuri atrag.

Acest lucru este destul de similar cu ceea ce se întâmplă cu sarcinile electrice. De asemenea, se poate observa că, cu cât sunt mai apropiați, cu atât forța cu care se atrag sau se resping reciproc.

Magneții cu bare au un model distinctiv al liniilor de câmp. Sunt curbe ascuțite, care părăsesc polul nord și intră în polul sud.

Figura 2. Liniile de câmp magnetic ale unui magnet cu bare. Sursa: Wikimedia Commons.

Un simplu experiment pentru a privi aceste linii este de a împrăștia filamente de fier deasupra unei foi de hârtie și de a așeza un magnet de bare dedesubt.

Intensitatea câmpului magnetic este dată în funcție de densitatea liniilor de câmp. Acestea sunt întotdeauna cele mai dense în apropierea poli și se răspândesc pe măsură ce ne îndepărtăm de magnet.

Magnetul este cunoscut și sub numele de dipol magnetic, în care cei doi poli sunt exact poli nordici și sudici.

Dar ele nu pot fi niciodată despărțite. Dacă tăiați magnetul în jumătate, obțineți doi magneți, fiecare cu polii nordici și sudici respectivi. Polii izolați sunt numiți monopoli magnetici, dar până în prezent niciunul nu a fost izolat.

surse

Se poate vorbi de diverse surse de câmp magnetic. Acestea variază de la mineralele magnetice, prin Pământul în sine, care se comportă ca un magnet mare, până la electromagneti.

Dar adevărul este că fiecare câmp magnetic își are originea în mișcarea particulelor încărcate.

Mai târziu vom vedea că sursa primordială a întregului magnetism rezidă în curenții minusculi din interiorul atomului, în principal în cei produși datorită mișcărilor electronilor în jurul nucleului și efectelor cuantice prezente în atom.

Cu toate acestea, în ceea ce privește originea sa macroscopică, se poate gândi la surse naturale și surse artificiale.

Sursele naturale, în principiu, nu „se opresc”, sunt magneți permanenți, însă trebuie luat în considerare că căldura distruge magnetismul substanțelor.

În ceea ce privește sursele artificiale, efectul magnetic poate fi suprimat și controlat. Prin urmare, avem:

-Magnete de origine naturală, realizate din minerale magnetice, cum ar fi magnetita și maghemitul, ambii oxizi de fier, de exemplu.

-Curenti electrici si electromagneti.

Minerale magnetice și electromagneti

În natură există diverși compuși care prezintă proprietăți magnetice remarcabile. Sunt capabili să atragă bucăți de fier și nichel, de exemplu, precum și alți magneți.

Oxizii de fier menționați, cum ar fi magnetita și maghemitul, sunt exemple din această clasă de substanțe.

Sensibilitatea magnetică este parametrul care este utilizat pentru cuantificarea proprietăților magnetice ale rocilor. Rocile igiene de bază sunt cele cu cea mai mare susceptibilitate, datorită conținutului ridicat de magnetită.

Pe de altă parte, atât timp cât ai un fir care transportă curent, va exista un câmp magnetic asociat. Aici avem un alt mod de a genera un câmp, care, în acest caz, ia forma cercurilor concentrice cu firul.

Direcția de mișcare a câmpului este dată de regula degetului mare. Când degetul mare al mâinii drepte îndreaptă în direcția curentului, cele patru degete rămase vor indica direcția în care sunt îndoite liniile de câmp.

Figura 3. Regula degetului mare pentru a obține direcția și sensul câmpului magnetic. Sursa: Wikimedia Commons.

Un electromagnet este un dispozitiv care produce magnetism din curenții electrici. Are avantajul de a putea porni și opri în voie. Când curentul încetează, câmpul magnetic dispare. În plus, intensitatea câmpului poate fi controlată și.

Electromagnetii fac parte din diferite dispozitive, inclusiv difuzoare, hard disk-uri, motoare și relee, printre altele.

Forță magnetică la o încărcare în mișcare

Existența unui câmp magnetic B poate fi verificată cu ajutorul unei încărcări electrice de testare - apelată q - și care se deplasează cu viteza v . Pentru aceasta, prezența câmpurilor electrice și gravitaționale este exclusă, cel puțin pentru moment.

Într-un astfel de caz, forța experimentată de sarcina q, care este notată ca F _B , se datorează în totalitate influenței câmpului. Calitativ, se observă următoarele:

-Mărimea lui F _B este proporțională cu q și viteza v.

-Dacă v este paralel cu vectorul câmpului magnetic, mărimea lui F _B este zero.

-Forța magnetică este perpendiculară atât la v cât și la B.

-Final, mărimea forței magnetice este proporțională cu sin θ, unde θ este unghiul dintre vectorul de viteză și vectorul câmpului magnetic.

Toate cele de mai sus sunt valabile atât pentru taxele pozitive, cât și pentru cele negative. Singura diferență este că direcția forței magnetice este inversată.

Aceste observații sunt de acord cu produsul vectorial între doi vectori, astfel încât forța magnetică experimentată de o sarcină punctiformă q, care se deplasează cu viteza v în mijlocul unui câmp magnetic este:

F _B = q v x B

Al cărui modul este:

Figura 4. Regula din partea dreaptă a forței magnetice pe o sarcină punctuală pozitivă. Sursa: Wikimedia Commons.

Cum se generează un câmp magnetic?

Există mai multe moduri, de exemplu:

-Pentru magnetizarea unei substanțe adecvate.

- Trecerea unui curent electric printr-un fir conductor.

Dar originea magnetismului în materie este explicată prin amintirea faptului că acesta trebuie asociat cu mișcarea sarcinilor.

Un electron care orbitează nucleul este în esență un mic circuit de curent închis, dar unul capabil să contribuie substanțial la magnetismul atomului. Există foarte mulți electroni într-o bucată de material magnetic.

Această contribuție la magnetismul atomului se numește moment magnetic orbital. Există însă mai multe, pentru că traducerea nu este singura mișcare a electronului. De asemenea, are un moment magnetic de rotire, un efect cuantic a cărui analogie este aceea a unei rotații a electronului pe axa sa.

De fapt, momentul magnetic al spinului este cauza principală a magnetismului unui atom.

Tipuri

Câmpul magnetic este capabil să ia multe forme, în funcție de distribuția curenților care îl originează. La rândul său, acesta poate varia nu numai în spațiu, ci și în timp, sau ambele în același timp.

-În vecinătatea poliilor unui electromagnet există un câmp aproximativ constant.

-De asemenea, în interiorul unui solenoid se obține un câmp de intensitate mare și uniform, cu liniile de câmp direcționate de-a lungul axei axiale.

-Câmpul magnetic al Pământului se apropie destul de bine de câmpul unui magnet de bare, în special în vecinătatea suprafeței. Mai departe, vântul solar modifică curenții electrici și îl deformează vizibil.

-Un fir care transportă curent are un câmp sub formă de cercuri concentrice cu firul.

În ceea ce privește dacă domeniul poate varia sau nu în timp, avem:

-Câmpurile magnetice statice, când nici magnitudinea și nici direcția lor nu se schimbă în timp. Câmpul unui magnet de bare este un bun exemplu al acestui tip de câmp. De asemenea, cele care provin din fire care transportă curenți staționari.

-Câmpuri variabile în timp, dacă oricare dintre caracteristicile lor variază în timp. O modalitate de a le obține este de la generatoare de curent alternativ, care folosesc fenomenul de inducție magnetică. Se găsesc în multe dispozitive utilizate frecvent, de exemplu telefoanele mobile.

Legea lui Biot-Savart

Când este necesar să se calculeze forma câmpului magnetic produs de o distribuție a curenților, se poate folosi legea Biot-Savart, descoperită în 1820 de fizicienii francezi Jean Marie Biot (1774-1862) și Felix Savart (1791-1841). ).

Pentru unele distribuții curente cu geometrii simple, se poate obține direct o expresie matematică pentru vectorul câmpului magnetic.

Să presupunem că avem un segment de sârmă de lungime diferențială dl care poartă un curent electric I. Se va presupune că sârma se află în vid. Câmpul magnetic care produce această distribuție:

-Crește cu inversul pătratului distanței față de sârmă.

-Este proporțional cu intensitatea curentului I care trece prin fir.

-Direcția sa este tangențială cu circumferința razei r centrată pe sârmă, iar direcția acesteia este dată de regula degetului mare.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B este un diferențial de câmp magnetic.

- I este intensitatea curentului care curge prin fir.

- r este distanța dintre centrul sârmei și punctul în care doriți să găsiți câmpul.

-r este vectorul care merge de la fir la punctul în care doriți să calculați câmpul.

Exemple

Mai jos sunt prezentate două exemple de câmp magnetic și expresiile lor analitice.

Câmp magnetic produs de un fir rectiliniu foarte lung

Prin legea Biot-Savart se poate obține câmpul produs de un fir subțire de conductor fin care transportă un curent I. Prin integrarea de-a lungul conductorului și luarea cazului limitant în care este foarte lung, magnitudinea câmpului rezultat:

Câmp creat de bobina Helmholtz

Bobina Helmholtz este formată din două bobine circulare identice și concentrice, la care este trecut același curent. Ele servesc la crearea unui câmp magnetic aproximativ uniform în interiorul său.

Figura 5. Schema bobinelor Helmholtz. Sursa: Wikimedia Commons.

Mărimea sa în centrul bobinei este:

Y este direcționată de-a lungul axei axiale. Factorii ecuației sunt:

- N reprezintă numărul de rotații ale bobinelor

- Eu sunt amploarea curentului

- μ _o este permeabilitatea magnetică a vidului

- R este raza bobinelor.

Referințe

1. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 1. Cinematica. Editat de Douglas Figueroa (USB).
2. Câmp magnetic rezistență H . Recuperat din: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. A 6-a ediție prescurtată. Cengage Learning.
4. Câmpul magnetic și forțele magnetice. Recuperat din: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizică pentru știință și inginerie. Volumul 2. 7. Ed. Cengage Learning.
7. Universitatea din Vigo. Exemple de magnetism. Recuperat din: quintans.webs.uvigo.es