TEMA 4: ELECTROMAGNETISME

Transcripción

1 73 TEMA 4: ELECTROMAGNETISME L electromagnetisme estudia les relacions existents entre l electricitat i el magnetisme. Els fenòmens magnètics eren coneguts des de l Antiguitat, encara que la seva connexió amb l electricitat no va començar a intuir-se fins a ben entrat el segle XVIII. Per al naixement de l electromagnetisme com un dels pilars de la ciència moderna van resultar fonamentals les experiències desenvolupades pel físic danès Hans Christian Oersted ( ). 1. MAGNETISME. IMANTS El magnetisme és la part de la física que estudia les accions magnètiques i els camps magnètics. Els fenòmens magnètics determinen les atraccions o repulsions que es produeixen entre els pols dels imants o cossos imantats. Ja en l antiga Grècia es coneixien els imants naturals, substàncies que, com la magnetita, són capaces d atreure altres metalls, sobretot el ferro. També s havia constatat el fenomen de la imantació, pel qual alguns cossos adquireixen propietats característiques dels imants quan es posen en contacte amb ells. Els imants artificials així creats poden quedar imantats. Les propietats dels imants són: 1a propietat: Els imants atrauen algunes substàncies, anomenades substàncies magnètiques, com ara el ferro i l acer. En canvi, no atrauen unes altres, com la sorra, el coure o la fusta. 2a propietat: Els imants tenen dos pols, anomenats nord i sud. Els pols de diferent signe s atrauen, i els del mateix signe es repel leixen. 3ª propietat: Si es trenca un imant, cada tros torna a ser un imant amb dos pols. Però ara, l imant serà més feble. La Terra es comporta com un gegantí imant els pols magnètics del qual es troben pròxims als geogràfics, encara que amb la seva denominació invertida (el pol sud magnètic és a prop del nord geogràfic, i a la inversa).

2 74 Les interaccions magnètiques es poden explicar com el resultat de la presència d un camp de naturalesa vectorial, anomenat camp magnètic, comparable a l elèctric o al gravitatori. El camp magnètic d un imant és l espai en el qual es manifesten les seves accions magnètiques sobre altres imants o cossos imantats. El camp magnètic s expressa visualment mitjançant línies de força que, als imants, parteixen del pol nord i desemboquen al pol sud. 2. RELACIÓ ENTRE ELECTRICITAT I MAGNETISME Gràcies als treballs d Oersted i Faraday, l electricitat i el magnetisme s entenen avui dia com dues cares de la mateixa moneda: l electromagnetisme. El científic danès Oersted es va adonar el 1819 que el magnetisme estava íntimament associat al corrent elèctric (càrregues elèctriques en moviment) en situar una brúixola en les proximitats d un circuit elèctric pel qual fluïa un corrent i observar que la brúixola es reorientava en una direcció perpendicular al fil. De l experiència d Oersted es dedueix que les càrregues elèctriques en moviment generen en l espai circumdant un camp elèctric i un altre de magnètic de direcció perpendicular. En tancar l interruptor, circula corrent pel conductor i la brúixola gira col locant-se perpendicularment al fil En obrir l interruptor, cessa el corrent i la brúixola torna a la seva posició inicial Aquest fenomen és la base científica d aplicacions tecnològiques com els electroimants (timbre, grues industrials, etc.) i del motor elèctric (joguines a piles, ascensors, etc.). Un electroimant és un conjunt de voltes de fil conductor (bobina) a través del qual flueix un corrent elèctric. L electricitat produeix un camp magnètic. Així, les voltes de fil es comporten com un imant i poden alçar peces de metall. La força de l electroimant pot ajustar-se regulant la quantitat de corrent i per eliminar l acció de l electroimant només cal tallar el corrent.

3 75 3. INDUCCIÓ ELECTROMAGNÈTICA Hem vist que un corrent elèctric crea al seu voltant un camp magnètic. Des de l experiència d Oersted, els físics es preguntaven si els camps magnètics podien produir corrents elèctrics. El britànic Michael Faraday i el nord-americà Joseph Henry van realitzar uns experiments que van demostrar que, efectivament, els camps magnètics produeixen corrents elèctrics. Un d aquests experiments és el que et presentem a continuació: quan es manté en repòs un imant davant un circuit elèctric en forma d espira, l amperímetre no detecta corrent. Si s apropa l imant al circuit, es produeix corrent en un sentit, i quan s allunya, el flux de corrent pren sentit contrari. Amb l imant allunyat, no hi ha corrent elèctric L imant en moviment crea corrent elèctric En un circuit tancat pròxim a un imant es produeix corrent elèctric sempre que el conductor o l imant se n moguin un respecte de l altre. 4. APLICACIONS DELS CORRENTS INDUÏTS La inducció electromagnètica és la base científica en què es recolzen aplicacions com els generadors elèctrics (dinamo de la bici, turbines d una central hidroelèctrica, etc.). Quan l espira està aturada, no es produeix corrent El moviment de l espira genera corrent i la bombeta s encén

4 76 Els generadors poden emprar corrents continus (que circulen sempre en el mateix sentit) o corrents alterns (on el sentit del corrent s inverteix periòdicament). L efecte invers a què ocorre al generador es produeix en un altre dispositiu que anomenem motor elèctric, que és un dispositiu que transforma energia elèctrica en energia mecànica. Quan no hi ha corrent, l espira no es mou Quan circula corrent per l espira, com està dins d un camp magnètic, la fa moure Producció d energia elèctrica Les grans centrals elèctriques són les encarregades de produir l electricitat que arriba a les nostres cases, a les indústries, etc. En elles hi ha grans generadors formats per unes bobines que giren dins de potents electroimants. En aquestes espires es genera corrent elèctric que es fa passar per una estació transformadora, on s eleva el voltatge fins a milers de volts (amb la consegüent reducció de la intensitat de corrent, ja que la potència ha de conservar-se). En el trànsit per les línies elèctriques de l estesa d alta tensió, les pèrdues per efecte Joule (proporcionals al quadrat de la intensitat de corrent) són mínimes. Als llocs de consum s utilitzen transformadors per rebaixar el voltatge a valors menys perillosos per als usuaris (per exemple, a 220 V). Hi ha diversos tipus de centrals elèctriques. La diferència entre unes i d altres està en l energia utilitzada per fer girar els generadors. A les centrals eòliques, és l energia del vent la que mou unes pales en forma de molí. A les centrals hidroelèctriques, l aigua dels embassaments mou una turbina. En les tèrmiques i nuclears, una font de calor produeix vapor d aigua a pressió, que fa girar unes turbines que estan unides als eixos dels generadors.

5 77 1. Què és el magnetisme? 2. Quina relació tenen el magnetisme i l electricitat? 3. Quins són els cossos que tenen propietats magnètiques? Quines zones podem distingir en aquests cossos? 4. Com es pot aconseguir que un camp magnètic generi un corrent elèctric?