II.21. Efectul magnetic al curentului electric. Electromagneţi

Până în 1820 electricitatea şi magnetismul au fost două domenii ale fizicii strict separate. Însă experimentul celebru al fizicianului danez Hans Christian Oersted (1777-1851) a stabilit prima legătură între electricitate şi magnetism, demonstrând că în jurul unui conductor parcurs de curent electric apare un câmp magnetic. Astfel a luat naştere un nou domeniu al fizicii: electromagnetismul.

Ampère demonstrează proprietăţile magnetice ale unui solenoid.

Efectul magnetic al curentului electric constă în apariția unui câmp magnetic în jurul unui conductor parcurs de curent electric.

👀 Experiment: Efectul magnetic al unui conductor liniar parcurs de curent electric

Materiale necesare:
Baterie (de 4,5V sau de 9V), o sârmă de cupru sau aluminiu dezizolată şi busolă sau ac magnetic plutitor (un smartphone cu senzor magnetic şi o aplicaţie software de tip busolă sau ac magnetic).

Descrierea experimentului:

• Lasă acul magnetic (ac magnetizat pe un magnet și pus pe o foiță de celofan pe apă) să se orienteze spre polii Pământului, până rămâne nemișcat.
• Leagă capetele conductorului la polii bateriei și plimbă conductorul (prin care trece curent electric) pe deasupra acului magnetic, având grijă să nu-l atingi.
• Ce observi ?

  Conductorul prin care trece curent electric deviază acul magnetic de la direcţia N.G.-S.G. a Pământului.

Concluzia experimentului:
În jurul conductorului parcurs de curent electric apare un câmp magnetic, care deviază ușor acul magnetic.

👀 Experiment: Efectul magnetic al unei bobine parcursă de curent electric

Materiale necesare:
Carton (10cm. cu 5cm.), sârmă de cupru (1,5m.- 2m.) izolată sau dezizolată, baterie (4,5V sau 9V), bandă adezivă, busolă sau ac magnetic plutitor.

Descrierea experimentului:

• Confecţionează un cilindru de carton cu diametrul de 2-3cm.
• Înfăşoară sârma de cupru, spiră lângă spiră, pe toată lungimea tubului, în acelaşi sens şi scoate capetele sârmei prin interiorul tubului pentru a nu se desface înfăşurarea. Ai obținut o bobină prin înfășurarea conductorului de cupru pe un suport izolator.
• Capetele conductorului acestei bobine le legi la bornele bateriei.
• Cu un capăt al bobinei (parcursă de curent electric) te plimbi pe deasupra acului magnetic plutitor
• Ce observi ?

  Acul magnetic este deviat considerabil de la direcţia N.G - S.G. a Pământului de capătul bobinei.

Concluzia experimentului:
În jurul bobinei parcursă de curent electric apare un câmp magnetic astfel încât, bobina se comportă ca un magnet, având la cele două capete cei doi poli magnetici.
Capătul bobinei care se atrage cu N acului magnetic este polul sud al bobinei, iar capătul bobinei care se atrage cu S acului magnetic este polul nord al bobinei.
Inversând legarea bornelor bobinei la polii bateriei, polii magnetici ai săi se inversează și ei.

👀 Experiment: Efectul magnetic al unui electromagnet
🔥 Atenție să nu te înțepi în ace sau cuie!

Materiale necesare: Materiale necesare: bobina de la experimentul anterior, cui sau şurub mai mare, obiecte mici de fier (cuie, ace, agrafe de birou), baterie.

Descrierea experimentului:

• Introdu în mijlocul bobinei o bară de fier (cui, şurub) ale cărei capete să iasă în afara suportului bobinei. Ai obţinut un electromagnet. Electromagnetul se mai poate obţine şi prin înfăşurarea unei sârme de cupru sau aluminiu direct pe un cui sau şurub.
• Leagă capetele bobinei la baterie;
• Apropie miezul de fier al electromagnetului de o grămăjoară de cuie.
• Ce observi ?

  Miezul electromagnetului atrage obiectele de fier.

Concluzia experimentului:
Câmpul magnetic din jurul electromagnetului este mult mai intens decât cel din jurul unui conductor liniar sau bobine parcurse de curent electric.
Electromagnetul atrage obiecte de fier.

Temă

1. Priveşte cu atenţie imaginile ce urmează şi descoperă ce efect al curentului electric corespunde fiecăreia.

Efectul:

.........................................

..........................................

..........................................

Câmpul magnetic este o formă a materiei, care se manifestă prin acțiunea asupra acului magnetic sau asupra conductoarelor parcurse de curent electric.

Pentru reprezentarea intuitivă a câmpului magnetic, la fel ca şi în cazul câmpului electric, se pot folosi linii de câmp, formând așa-numitul spectrul câmpului magnetic.

Spre deosebire de liniile câmpului electric, liniile câmpului magnetic sunt curbe închise.

Spectrul câmpului magnetic este diferit în funcție de forma magnetului sau de forma conductorului prin care trece curent electric.

Liniile de câmp magnetic ale unui magnet bară au sensul astfel încât intră în polul sud, traversează magnetul, ies din polul nord şi se închid în exteriorul magnetului.

Liniile de câmp magnetic ale unui conductor liniar parcurs de curent sunt cercuri concentrice în jurul curentului şi sunt într-un plan perpendicular pe acesta. Sensul lor poate fi determinat cu regula mâinii drepte: înfășurăm conductorul cu cele patru degete astfel încât degetul mare întins lateral să arate sensul sensul curentului electric ( de la plus la minus ) prin conductor. Cele patru degete vor da sensul liniilor de câmp magnetic.

Câmpul magnetic produs de un curent electric depinde de intensitatea curentului electric, dar şi de sensul acestuia.

Liniile de câmp magnetic ale unei bobine ale cărei spire sunt străbătute de un curent electric este similară cu un magnet în formă de bară din punct de vedere al distribuţiei liniilor de câmp magnetic.

Sensul lor poate fi determinat cu regula mâinii drepte: înfășurăm bobina cu cele patru degete în sensul curentului electric (de la plus la minus), iar degetul mare întins lateral arată sensul liniilor de câmp magnetic.

👀 Experiment: Spectrul magnetic al unui solenoid

Materiale necesare:

Materiale necesare:
Solenoid (bobina cu un singur rând de spire), fire de legătură baterie, busolă.

Descrierea experimentului:

• Pune la un capăt al solenoidului busola.
• Leagă bateria la bornele solenoidului
• Ce observi ?

  Capătul solenoidului atrage sudul acului magnetic.

Solenoidul parcurs de curent electric se comportă ca un magnet, având la capete cei doi poli magnetici, nord și sud.
Capătul solenoidului care a atras polul sud al acului, reprezintă polul nord al solenoidului.

• Schimbă polaritatea bornelor bateriei la solenoid
• Ce observi ?

  Capătul solenoidului atrage nordul acului magnetic.

Concluzia experimentului:
Capătul solenoidului care a atras polul nord al acului, reprezintă polul sud al solenoidului.
Prin schimbarea sensului curentului prin bobină, se schimbă și poli magnetici ai acesteia.

Mărimea fizică vectorială care caracterizează un câmp magnetic din punct de vedere al intensității interacției sale cu conductor parcurs de curent electric aflat în acel câmp se numeşte inducţia câmpului magnetic (notată cu B)

În orice punct din câmp, inducția magnetică este un vector tangent la linia de câmp magnetic în planul acesteia și are sensul liniei de câmp.

Unitatea de măsură în SI este:

👀 Experiment: Inducția magnetică a unei bobine

Materiale necesare:

Materiale necesare:
2 bobine cu număr de spire diferit și aceeași lungime, o bobină cu același număr de spire și mai scurtă decât celelalte două, fire de legătură, 2baterii de 3V, aplicație software care măsoară inducția magnetică, descărcată gratuit, pe un smartphone din magazinele online.

Descrierea experimentului:

• Apropie de aplicația de pe telefon bobina cu lungime mare și număr de spire mic, alimentată la o baterie de 3V.
• Ce observi ?

  Aplicația indică o inducție magnetică de 22 μT, 22 microtesla = 22/1000000 T.

• Apropie de aplicație bobina cu lungime mare și cu număr de spire mai mare, alimentată la o baterie de 3V.
• Ce observi ?

  Aplicația indică o inducție magnetică de 26 μT.

• Apropie de aplicație bobina cu lungime mică și cu număr de spire mare, alimentată la o baterie de 3V.
• Ce observi ?

  Aplicația indică o inducție magnetică de 30 μT.

• Apropie de busolă sau de aplicație bobina cu lungime mare și cu număr de spire mare, alimentată la o baterie de 6V.
• Ce observi ?

  Aplicația indică o inducție magnetică de 29 μT.

Câmpul magnetic al bobinei (inducția magnetică) este cu atât mai intens cu cât:

• intensitatea curentului electric prin spirele bobinei este mai mare

• cu cât numărul de spire al bobinei este mai mare

• cu cât lungimea bobinei este mai mică.

👀 Experiment: Forța de atracție a unui electromagnet
🔥 Atenție! să nu te înțepi în ace!

Materiale necesare:
2 bobine cu număr de spire diferit și aceeași lungime, fire de legătură, 2 baterii de 3V, ace de gămălie (agrafe de birou).

Descrierea experimentului:

• Apropie de ace bobina cu număr de spire mic, alimentată la o baterie de 3V .
• Ce observi ?

  Bobina atrage un anumit număr de ace (18 ace).

• Apropie de ace bobina cu număr de spire mare, alimentată la o baterie de 3V.
• Ce observi ?

  Bobina atrage mai multe ace (20 de ace), când are mai multe spire și aceeași lungime.

• Apropie de ace bobina cu număr de spire mic, alimentată la o baterie de 6V.
• Ce observi ?

  Bobina atrage mai multe ace (20 de ace), când este traversată de un curent de intensitate mai mare.

Forţa de atracţie exercitată de electromagnet asupra obiectelor de fier, depinde direct proporțional de câmpul magnetic produs de bobina electromagnetului parcursă de curent electric și , implicit, de inducția magnetică a acesteia.

Forţa de atracţie exercitată de electromagnet asupra obiectelor de fier este cu atât mai mare cu cât:

• intensitatea curentului electric, prin spirele bobinei, este mai mare;

• cu cât numărul de spire al bobinei este mai mare;

• cu cât lungimea bobinei este mai mică;

• cu cât aria secțiunii bobinei este mai mare;

• forma miezului de fier: ea crește de la miezul de fier sub formă de bară, apoi potcoavă (U), fiind cea mai mare la miezul de fier închis.

unde B este inducţia câmpului magnetic produs de electromagnet, S este aria secţiunii bobinei electromagnetului, iar μ₀ este permeabilitatea magnetică a vidului.

Aplicațiile electromagneților

1) Macaraua electromagnetică se folosește în industria metalurgică, la transportarea pieselor de fier și mai ales la încărcarea fierului vechi în cuptoarele de topit din cadrul fabricilor de oțeluri. Acestea sunt formate dintr-un electromagnet foarte puternic purtat de către o macara mecanică. Electromagnetul folosit are de obicei formă de clopot. Bobina lui are un număr de spire foarte mare, iar curentul ce trece prin electromagnetul macaralei are o intensitate mare.

2) Soneria electrică are ca părți principale:

• Un electromagnet;

• O lamă elastică din oțel cu un ciocănaș la capăt;

• Clopotul de sonerie ;

• Un buton.

Iată cum funcționează soneria: dacă apăsăm butonul soneriei, trece curent prin bobina electromagnetului care atrage lamela de oțel (aliaj al fierului). Aceasta are la capăt un ciocănaș care lovește clopotul de sonerie producând un sunet.

3) Releul electromagnetic este un dispozitiv care comandă închiderea și deschiderea unui circuit de la distanță, ca un comutator, având un electromagnet care atrage o lamelă.

Releele electromagnetice sunt folosite printre altele la închiderea și deschiderea circuitelor de înaltă tensiune, la construcția interfoanelor, mai precis a yalelor electromagnetice de la ușa de la intrarea blocurilor, a macazurilor de cale ferată (tren, metrou sau tramvai) dar și la echipamentele de automatizări.

👀 Experiment: Forța electromagnetică

Materiale necesare:
Dispozitiv pentru demonstrarea forței electromagnetice, fire de legătură, 1 baterie de 4,5V

Descrierea experimentului:

• Alimentează bobina dispozitivului la baterie.
• Ce observi ?

  Latura de jos a bobinei deviază într-o parte.

• Alimentează bobina dispozitivului la baterie inversând firele la polii bateriei.
• Ce observi ?

  Latura de jos a bobinei deviază în cealaltă parte.

Concluzia experimentului:
Latura de jos a bobinei parcursă de curent electric și aflată într-un câmp magnetic este deviată datorită unei forțe numite forță electromagnetică.

Forţa electromagnetică este forţa exercitată de un câmp magnetic asupra unui conductor parcurs de curent electric.

Dacă plasăm un conductor liniar într-un câmp magnetic uniform, forţa electromagnetică exercitată asupra lui este:

I = intensitatea curentului ce trece prin conductor

l = lungimea conductorului aflat în câmp magnetic

α = unghiul făcut de vectorul inducţie magnetică cu orientarea curentului electric (direcţie şi sens) şi corespunde unghiului minim.

Sensul forţei electromagnetice depinde de:

• Aranjarea polilor magnetici (cu ce pol apropiem magnetul de bobină)

• Sensul curentului prin bobină.

Sensul forţei electromagnetice se poate determina cu regula mâinii stângi: întindem mâna stângă cu podul palmei spre polul nord al magnetului(linia de câmp magnetic intră în podul palmei, fiind orientată de la polul nord spre polul sud al magnetului), cu cele patru degete îndreptate în sensul curentului electric. Degetul mare întins lateral va arăta sensul forței electromagnetice.

Aplicațiile forței electromagnetice

1. Aparatele de măsură pentru intensitatea curentului electric (ampermetrul) şi pentru tensiunea electrică de la bornele unui aparat (voltmetrul) au ca principiu de funcţionare acţiunea curentului electric asupra unui câmp magnetic (forţa electromagnetică).

Primul galvanometru (pentru măsurarea unor curenți electrici de slabă intensitate) a fost construit de Johann Schweigger în 1820, ulterior fiind îmbunătățit de André-Marie Ampère.

Ampermetrele analogice pot fi de două tipuri:

• ampermetru cu cadru mobil: alcătuit dintr-un magnet fix în jurul căruia se poate roti o bobină prin care trece curentul electric de măsurat;

• ampermetru cu magnet mobil: alcătuit dintr-o bobină fixă, în interiorul căreia se află suspendat unul sau mai multe ace magnetice a căror deviație poate fi măsurată.

La trecerea curentului electric prin bobină, aceasta interacționează cu câmpul magnetic al magnetului. Astfel apare un cuplu de forțe electromagnetice care rotesc bobina cadru și acul indicator proporțional cu intensitatea curentului ce trece prin bobină

Pentru a măsura curentul ce trece printr-un element de circuit, ampermetrul se montează în serie cu acesta ca el să fie străbătut de același curent cu a elementului de circuit (deoarece curentul este același în circuitul de serie).

Dacă legăm un ampermetru în paralel cu un element de circuit, având o rezistență foarte mică (aproape 0), va scurtcircuita acel element și va indica un curent foarte mare, cel de scurtcircuit.

Dat fiind că în timpul operației de măsurare, prin ampermetru trece curentul de măsurat, rezistența lui electrică trebuie sa fie cât mai mică posibil (putând ajunge până la 10^-3 Ω), pentru o bună precizie.

Voltmetrul are aceeași construcție cu cea a ampermetrului cu diferența că acesta are montată o rezistență foarte mare în serie cu bobina ampermetrului.

Voltmetrul se leagă în paralel la bornele porțiunii de circuit deoarece prin voltmetru se ramifică un curent de intensitate foarte mică, datorită rezistenței sale foarte mari.

2. Motoarele electrice funcţionează pe bază de electromagnetism, mai precis datorită forţelor electromagnetice ce iau naştere între câmpul magnetic produs de stator şi curentul electric ce trece prin bobina rotorului.Aceste forţe electromagnetice pun în mişcare rotorul motorului ce se află pe un ax. Statorul este format dintr-un magnet (la motoarele de dimensiuni mici) sau electromagnet, având rolul de-a produce câmpul magnetic. Rotorul este alcătuit dintr-o bobină cu miez de fier fixată pe un ax. Alimentarea bobinei rotorului se face printr-un sistem de contacte mobile, numit colector. Pe lamelele acestuia alunecă două contacte fixe, din cărbune presat, numite periuţe.

3. Trenurile foarte rapide cu suspensie magnetică au electromagneţi în loc de roţi (joacă rolul statorului). Forţa magnetică generată de aceştia susţine trenul la câţiva centimetri deasupra liniei, propulsându-l cu viteză foarte mare. Motorul liniar al acestor trenuri necesită o valoare mare a investiţiei iniţiale, dar deoarece aceste trenuri nu ating şinele, forţa de frecare nu există şi costurile de întreţinere sunt foarte mici.

4. Microfonul transformă sunetul în semnale electrice. O membrană elastică dinăuntrul microfonului este pusă în vibraţie de undele sonore. Vibraţia se transmite unor spire. Spirele sunt situate între polii unui magnet. Pe măsură ce spirele se mişcă, generează un curent electric. Curentul se mişcă înainte şi înapoi ca şi sunetul şi este transportat către amplificator.

5. Difuzorul funcţionează invers decât un microfon. El transformă semnalele electrice înapoi în unde sonore. Semnalele electrice se scurg printr-o spirală, dând naştere unei forţe electromagnetice. Această forţă împinge spirele spre şi dinspre magnet. Spirele care vibrează fac un con să vibreze, producând sunete.