magnetisme tecnologia

FONAMENTS DE MAGNETISME

Tecnologia Industrial 2n Batxillerat

davidctecno

Magnetisme : Conceptes bàsics

Capacitat que tenen algunes substàncies ( com la magnetita) per atraure al ferro i alguns dels seus derivats.

El magnetisme es manifesta en: • L’ estudi d’ imants

• Càrregues elèctriques en moviment : corrent elèctric

Magnetisme : Imants

Un imant té la propietat d’atreure i subjectar el ferro i, a petita escala, el níquel, el cobalt i alguns aliatges.

Els imants poden ser d’ origen mineral (magnetita) o creats artificialment ( ferradura artificial)

Magnetisme: Imants

• Les propietats magnètiques s’originen en els pols.

• Hi ha dos tipus de pols: nord (N) i sud (S)• Els pols del mateix tipus es

repel.len i els de tipus contrari s’atrauen.

• No es poden tenir monopols magnètics. Sempre van en parelles.

Magnetisme: Imants

Camp magnètic d’ un imant

• Regió de l’ espai al voltant de l’ imant que es troba afectada per ell mateix i les seves propietats

• Regió de l’ espai on es posen de manifest l’ acció de les forces magnètiques que hi actuen. Es representen amb línies de força o línies d’ inducció.

Línies de força d’ un imant

• Es tanquen sobre si mateixes

• El sentit de les línies de força o d’inducció es fixa arbitràriament:

• De N a S : exterior• De S a N : interior

• Defineixen l’ espectre de l’ imant

• En cada punt permeten definir un vector que es coneix com a inducció magnètica : B

Inducció magnètica: B

• Magnitud vectorial que equival a la força que el camp exerceix sobre la unitat de massa magnètica en aquell punt

• Mòdul : Proporcional al nombre de línies de força per unitat de superfície

• Sentit: Tangent a cada punt de la trajectòria que formen les línies

• Unitat : Tesla ( T)

Fux del camp magnètic: Ф

• Magnitud escalar que indica el nombre de línies de força B que travessen perpendicularment una superfície S

= B·S·cosθ

• θ : angle format entre el vector inducció i el vector normal a la superfície

• Unitat : Weber ( Wb)

10

1820, Experiència d’ Oersted, va descobrir que un corrent elèctric té propietats magnètiques . Es comportava com un imant.

CIRCUIT TANCATCIRCUIT TANCAT CIRCUIT OBERTCIRCUIT OBERT

Va situar l’agulla paral·lela a un conductor rectilini. Va observar que girava fins quedar perpendicular al conductor quan hi circulava un corrent elèctric

L’agulla tornava a la seva posició inicial en tancar el pas del corrent elèctric. El pas del corrent exerceix sobre l’agulla imantada els mateixos efectes que un imant

Interruptor obert

brúixola

conductor

Interruptor tancat

brúixola

conductor

Camp magnètic creat per un corrent elèctric

11

1820, Experiència d’ Oersted, va descobrir que un corrent elèctric té propietats magnètiques . Es comportava com un imant.

Camp magnètic creat per un corrent elèctric

12

Llei de Biot i Savart:

Camp magnètic creat per un corrent elèctric

La inducció a cada punt del camp magnètic creat per un corrent elèctric és directament proporcional a la intensitat del corrent, inversament proporcional a la distància del punt al corrent, i depèn del medi en què es desenvolupa el camp.

B = I / l

On: permeabilitat magnètica del medi ( Tm/A)

I intensitat de corrent elèctric (A)

l distància del punt al corrent elèctric (m)

13

Permeabilitat magnètica :

Camp magnètic creat per un corrent elèctric

La permeabilitat magnètica del medi μ és un valor que depèn de la facilitatque té el medi per concentrar o dispersar les línies de força.

• Permeabilitat en el buit o en l’aire : μ o = 4 10⋅ -7 (Tm/A)

•Permeabilitat relativa : μ r = / o

Si μr > 1 , vol dir que es magnetitza amb més facilitat que l’aire.Si μr < 1 , vol dir que es magnetitza amb més difi cultat que l’aire.

Paramagnètics. μr 1 . Ho són l’alumini, l’estany, el crom, el titani, l’oxigen, etc.Diamagnètics. μr < 1 . Ho són el coure, el zinc, la plata, el mercuri, l’aigua, etc.Ferromagnètics. μr > 1 . Ho són el ferro, l’acer, el cobalt i el níquel.

14

Comparació línies de camp:

Camp magnètic creat per un corrent elèctric

15

Llei de Biot i Savart:

Camp magnètic creat per un conductor rectilini

B = I / 2r

On: permeabilitat magnètica del medi ( Tm/A)

I intensitat de corrent elèctric (A)

r distància del punt al conductor : radi (m)

16

Llei de Biot i Savart:

Camp magnètic creat per un conductor circular o espira

B = I / 2 r

On: permeabilitat magnètica del medi ( Tm/A)

I intensitat de corrent elèctric (A)

r radi de l’ espira (m)

17

Llei de Biot i Savart:

Camp magnètic creat per solenoide o bobina

B = N I / l

On: permeabilitat magnètica del medi ( Tm/A)

I intensitat de corrent elèctric (A) N nombre d’ espires l longitud de l’ espira (m)

Intensitat o excitació del camp magnètic: H

• El camp magnètic creat per una bobina es pot reforçar considerablement si al seu interior hi posem un nucli de material ferromagnètic, ja que a causa del camp magnètic creat pel corrent els imants elementals del nucli s’orienten i creen un camp magnètic que se suma al creat en la bobina.

• És el muntatge propi d’ un electroimant

Intensitat o excitació del camp magnètic: H

• Magnitud vectorial que representa el camp magnètic creat exclusivament pel circuit que ha creat el camp.

H= B /

• En una bobina:

B = N I / l H = N I / l

• Unitat : Ampère/ metre ( A/m)

Intensitat o excitació del camp magnètic: H

Circuit magnètic

• Espai ocupat per les línies d’ inducció en la seva trajectòria

• És homogeni si la inducció i el medi no varia

• És heterogeni si la inducció i/o el medi varien

• És un circuit en sèrie si el flux es manté constant

• És un circuit en derivació si el flux es bifurca en alguna part

Força magnetomotriu

• Medi homogeni ( inducció i/o el medi no varien)

• Medi heterogeni ( inducció i/o el medi varien)

On l m: longitud mitja del circuit

Unitat: A v ( Ampère-Volta)

mMM lHINF

ii

iii

iMM lHINF

Inducció electromagnètica (FEM)

Experiment Faraday-Henry

Els camps magnètics generen corrents elèctrics

Inducció electromagnètica (FEM)

Experiment Faraday-Henry

Els camps magnètics generen corrents elèctrics

25

= - d/ dt

On: FEM (força electromotriu) ( V)

fluxe de camp magnètic (Wb )

t temps (s)

Inducció electromagnètica (FEM)Llei de Lentz

26

Inducció electromagnètica (FEM)Espira tancada que es mou a v

= f - i = 0 – B S = - B l x / t = - Bl x/ t = -Bl v

= - / t = Bl v

Si B i v formen un angle :

= Bl v sin

On si B i l són perpendiculars recuperem:

= Bl v

Simulació

Inducció electromagnètica (FEM)

28

Inducció electromagnètica (FEM)Espira que gira dins un camp magnètic

Simulació

= - dФ /dt = -d(Bscos t)/dt = BS sin t = = Фmàx sint

Funció sinusoidal:

= màx sint = màx sint

Si sin t =1 màx= màx

= B S cos = BS cos t

Si = 0 Ф màx = BS

29

Inducció electromagnètica (FEM)Espira/ Bobina que gira dins un camp magnètic

FEM alterna sinusoidal

= màx sint

Bobina : N espires

= - N d / dt

= màx sint

màx=Nmàx

Electromagnetisme 30

Força magnètica sobre una càrrega en moviment

Els efectes dinàmics dels camps magnètics (forces) sempre són sobre càrregues elèctriques en moviment, mai en càrregues estàtiques.

sin BvqFq càrrega elèctrica (C) v velocitat ( m/s) B camp magnètic (T) angle entre v i B (º)

Electromagnetisme 31

Força magnètica sobre un conductor recte

Un corrent = càrregues en moviment apareix F quan tenim un corrent elèctric I en un camp magnètic B

·sin·· IlBF B camp magnètic (T) l longitud conductor recte (m) I corrent elèctric ( A) angle entre I i B (º)

Electromagnetisme 32

Parell de forces sobre una espira rectangular

Si tenim una espira rectangular S per la que circula una intensitat I situada en l’interior de un camp magnètic B apareix un parell de forces que fa girar l’espira amb un moment M