Electromagnetismul este forța produsă atunci când un curent electric curge printr-un simplu conductor, cum ar fi o bucată de sârmă sau un cablu.

Un mic câmp magnetic este creat în jurul conductorului, cu direcția acestui câmp magnetic privind polii săi "Nord" și "Sud" fiind determinată de direcția curentului care curge prin conductor.

Magnetismul joacă un rol important în ingineria electrică și electronică, deoarece componentele, cum ar fi releele, solenoizii, inductoarele, șocurile, bobinele, difuzoarele, motoarele, generatoarele, transformatoarele și contoarele electrice, nu ar funcționa dacă magnetismul nu ar exista.

Fiecare bobină de sârmă folosește efectul electromagnetismului atunci când un curent electric curge prin ea. Dar, înainte de a ne uita la magnetism și mai ales la electromagnetism, trebuie să ne amintim despre modul în care funcționează magneții și magnetismul.

Natura magnetismului

Magneții se găsesc în stare naturală sub formă de minereu magnetic, cele două tipuri principale fiind magnetitul numit și "oxid de fier" (FE3O4) și Lodestone, denumit și "piatră călăuzitoare". Dacă acești doi magneți naturali sunt suspendați de o bucată de sfoară, vor lua o poziție în linie cu câmpul magnetic al Pământului indicând întotdeauna nordul.

Un bun exemplu al acestui efect este acul unei busole. Pentru majoritatea aplicațiilor practice, acești magneți naturali pot fi ignorați, deoarece magnetismul lor este foarte scăzut și pentru că astăzi magneții artificiali artizanali pot fi produși în diferite forme, dimensiuni și puteri magnetice.

Există, în principiu, două forme de magnetism, "Magneți permanenți" și "Magneți temporari", fiecare utilizat în funcție de aplicația sa. Există multe tipuri diferite de materiale disponibile pentru a face magneți, cum ar fi fierul, nichelul, aliajele de nichel, cromul și cobaltul, iar în stare naturală, unele dintre aceste elemente, precum nichelul și cobaltul, prezintă cantități magnetice foarte slabe pe cont propriu.

Dar, când sunt amestecate sau aliate împreună cu alte materiale, cum ar fi fierul sau peroxidul de aluminiu, ele devin magneți foarte puternici, producând nume neobișnuite, cum ar fi "alcomax", "hycomax", "alni" și "alnico".

Materialul magnetic în stare nemagnetică are structura sa moleculară sub formă de lanțuri magnetice slabe sau magneți individuali minusculi aranjați liber într-un model aleatoriu. Efectul general al acestui tip de aranjament are ca rezultat magnetism zero sau foarte slab, deoarece acest aranjament întâmplător al fiecărui magnet molecular tinde să-și neutralizeze vecinul.

Atunci când materialul este magnetizat, acest aranjament aleatoriu al moleculelor se schimbă, iar magneții moleculari nealiniați și aleatorii devin "aliniați" în așa fel încât să producă un aranjament magnetic serie. Această idee a alinierii moleculare a materialelor feromagnetice este cunoscută sub numele de Teoria lui Weber și este ilustrată mai jos.

Alinierea moleculelor magnetice la o bucată de fier și la un magnet

Teoria lui Weber se bazează pe faptul că toți atomii au proprietăți magnetice, datorită acțiunii de învârtire a electronilor atomilor. Grupuri de atomi se unesc astfel încât câmpurile lor magnetice se rotesc în aceeași direcție. Materialele magnetice sunt compuse din grupuri de magneți minusculi la un nivel molecular în jurul atomilor și un material magnetizat va avea majoritatea magneților săi minusculi aliniați într-o singură direcție, pentru a produce un pol nord într-o direcție și un pol sud în cealaltă direcție.

De asemenea, un material care are minusculii săi magneți moleculari îndreptați în toate direcțiile va avea magneții săi moleculari neutralizați de magnetul său vecin, neutralizând astfel orice efect magnetic. Aceste arii de magneți moleculari sunt numite "domenii".

Orice material magnetic va produce un câmp magnetic propriu care depinde de gradul de aliniere a domeniilor magnetice în material, stabilit de electronii orbitali și spinning. Acest grad de aliniere poate fi specificat printr- o cantitate cunoscută sub numele de magnetizare, M.

Într-un material nemagnetizat, M = 0, dar unele dintre domenii rămân aliniate pe regiuni mici din material, odată ce câmpul magnetic este îndepărtat. Efectul aplicării unei forțe de magnetizare asupra materialului este de a alinia unele dintre domenii pentru a produce o valoare de magnetizare diferită de zero.

Odată ce forța de magnetizare a fost îndepărtată, magnetismul din interiorul materialului va rămâne, sau va scădea rapid, în funcție de materialul magnetic utilizat. Această capacitate a unui material de a-și păstra magnetismul se numește remanență.

Materialele care sunt necesare pentru a-și păstra magnetismul vor avea o remanență destul de ridicată și ca atare se utilizează pentru a face magneți permanenți, în timp ce acele materiale necesare pentru a-și pierde rapid magnetismul, cum ar fi miezurile de fier moale pentru relee și solenoizi, vor avea o remanență foarte scăzută.

Flux magnetic

Toți magneții, indiferent de forma lor, au două regiuni numite poli magnetici cu magnetism, atât în, cât și în jurul unui circuit magnetic, producând un lanț definit de model organizat și echilibrat de linii invizibile de flux în jurul acestuia. Aceste linii de flux sunt denumite colectiv "câmpul magnetic" al magnetului. Forma acestui câmp magnetic este mai intensă în unele părți decât altele, cu suprafața magnetului care are cel mai mare magnetism numită "pol". La fiecare capăt al unui magnet este un pol.

Aceste linii de flux (numite câmp vectorial) nu pot fi văzute cu ochiul liber, dar ele pot fi văzute vizual prin utilizarea de pilitură de fier împrăștiate pe o foaie de hârtie sau prin utilizarea unei mici busole pentru a le urmări. Polii magnetici sunt întotdeauna prezenți în perechi, există întotdeauna o regiune a magnetului numită polul nordic și există întotdeauna o regiune opusă numită polul sudic.

Câmpurile magnetice sunt întotdeauna afișate vizual ca linii de forță care dau un pol definit la fiecare capăt al materialului, unde liniile fluxului sunt mai dense și concentrate. Liniile care formează un câmp magnetic și care arată direcția și intensitatea sunt numite linii de forță sau mai frecvent "flux magnetic" și sunt notate cu simbolul grec Phi (Φ), după cum se arată mai jos.

Linii de forță ale câmpului magnetic de la magneții bară

Așa cum am arătat mai sus, câmpul magnetic este cel mai puternic în apropierea polilor magnetului, unde liniile fluxului sunt mai apropiate. Direcția generală a fluxului magnetic este de la polul nord (N) la polul sud (S). În plus, aceste linii magnetice formează bucle închise care părăsesc polul nord al magnetului și intră în polul sud. Polii magnetici sunt întotdeauna în perechi.

Totuși, fluxul magnetic nu curge de fapt de la polul nord la polul sudic sau curge oriunde pentru acel caz, deoarece fluxul magnetic este o regiune statică în jurul unui magnet în care există forța magnetică. Cu alte cuvinte fluxul magnetic nu curge sau nu se mișcă, este doar acolo și nu este influențat de gravitație. Unele fapte importante apar atunci când se trasează linii de forță:

• Liniile de forță NICIODATĂ nu se încrucișează.

• Liniile de forță sunt CONTINUE.

• Liniile de forță formează întotdeauna BUCLE ÎNCHISE individuale în jurul magnetului.

• Liniile de forță au o DIRECȚIE definită de la nord la sud.

• Liniile de forță care sunt apropiate, împreună, indică un câmp magnetic PUTERNIC.

• Linii de forță care sunt mai îndepărtate indică un câmp magnetic SLAB.

Forțele magnetice atrag și resping ca forțele electrice și când două linii de forță sunt aduse aproape, interacțiunea dintre cele două câmpuri magnetice provoacă unul din cele două lucruri:

1. Când polii adiacenți sunt aceiași, (nord-nord sau sud-sud), se RESPING reciproc.

2. Când polii adiacenți nu sunt aceiași, (nord-sud sau sud-nord) se ATRAG reciproc.

Acest efect este ușor de reținut prin expresia celebră că "opușii se atrag" și această interacțiune a câmpurilor magnetice poate fi ușor demonstrată folosind pilitură cu fier pentru a arăta liniile de forță în jurul unui magnet. Efectul asupra câmpurilor magnetice ale diferitelor combinații de poli, care se atrag sau se resping, poate fi văzut mai jos.

Câmpul magnetic al polilor care se atrag (ATTRACT) și care se resping (REPEL)

Atunci când se trasează linii de câmp magnetic cu o busolă, se va observa că liniile de forță sunt produse astfel încât să dea un pol definit la fiecare capăt al magnetului, în care liniile de forță părăsesc polul Nord și se reintroduc la Polul Sud. Magnetismul poate fi distrus prin încălzirea sau ciocănirea materialului magnetic, dar nu poate fi distrus sau izolat prin simpla rupere a magnetului în două bucăți.

Deci, dacă luați un magnet bară normal și îl rupeți în două bucăți, nu aveți două jumătăți de magnet, dar fiecare piesă ruptă va avea propriul pol Nord și un pol Sud. Dacă luați una din aceste piese și o spargeți din nou în două, fiecare dintre piesele mai mici va avea un pol Nord și un pol Sud și așa mai departe. Indiferent cât de mici sunt bucățile magnetului, fiecare piesă va avea în continuare un pol Nord și un pol Sud, nebunie!

Atunci, pentru a face uz de magnetism în calcule electrice sau electronice, este necesar să definim care sunt diferitele aspecte ale magnetismului.

Magnitudinea magnetismului

Știm acum că liniile de forță sau mai frecvent fluxul magnetic în jurul unui material magnetic este dat de simbolul grec Phi, (Φ), cu unitatea de flux Weber (Wb) după Wilhelm Eduard Weber. Dar numărul liniilor de forță dintr-o arie unitate dată este numită "Densitatea fluxului" și deoarece fluxul (Φ) este măsurat în (Wb) și aria (A) în metri pătrați (m²), densitatea fluxului este măsurată în Weberi/ Metru² sau (Wb/m²) și este dată de simbolul B.

Dar, când se face referire la densitatea fluxului în magnetism, densitatea fluxului este dată în unități Tesla, după Nikola Tesla, deci un Wb/m² este egal cu un Tesla, 1Wb/m² = 1T. Densitatea fluxului este proporțională cu liniile de forță și invers proporțională cu aria, astfel încât să putem defini Densitatea fluxului ca:

Densitatea fluxului magnetic

Simbolul pentru densitatea fluxului magnetic este B și unitatea de densitate de flux magnetic este Tesla, T.

Este important să ne amintim că toate calculele pentru densitatea fluxului se fac în aceleași unități, de exemplu, fluxul în weberi, suprafața în m² și densitatea fluxului în Tesla.

Magnetism. Exemplul nr. 1

Cantitatea de flux prezentă într-o bară magnetică rotundă a fost măsurată la 0,013 weberi. Dacă materialul are un diametru de 12 cm, calculați densitatea fluxului.

Suprafața secțiunii transversale a materialului magnetic în m² este dată de:

Diametrul = 12 cm

Aria = π r²

A = 3,142 x 0,062 = 0,0113 m²

Fluxul magnetic este dat de 0,013 Weberi, prin urmare densitatea de flux poate fi calculată ca:

Deci, densitatea fluxului este calculată ca 1,15 Tesla.

Atunci când se ocupă cu magnetismul în circuitele electrice, trebuie reținut că un Tesla este densitatea unui câmp magnetic astfel încât un conductor care transporta 1 amper în unghi drept față de câmpul magnetic are o forță de un newton-metru pe el și aceasta va fi demonstrat în următorul tutorial despre electromagnetism.