Electrodinamică

Electrodinamica studiază stările electrice şi magnetice variabile în timp; în continuare se va studia cu precădere câmpul magnetic.

4.1. Câmpul magnetic

Starea fizică în care între anumite corpuri, sau minereuri, se exercită forţe şi cupluri se numeşte stare de magnetizare; corpurile se numesc magnetizate, iar sistemul fizic din vecinătatea corpurilor magnetizate se numeşte câmp magnetic.

Câmpul magnetic mai poate fi produs şi de către corpurile parcurse de curent electric de conducţie, de mişcarea corpurilor electrizate şi de variaţia în timp a câmpului electric. Câmpul magnetic exercită asupra corpurilor magnetizate sau parcurse de curent, ori asupra corpurilor electrizate, aflate în mişcare, forţe şi cupluri magnetice.

Forţa Lorentz ce acţionează asupra unui corp încărcat cu sarcina q, care se mişcă în vid cu viteza în câmpul magnetic :

în care este vectorul inducţiei magnetice în vid, care în SI are unitatea de măsură Tesla: .

Cuplul exercitat asupra unui corp aflat în vid, în câmpul magnetic , depinde de momentul magnetic permanent :

Forţa Laplace care deviază un conductor filiform, parcurs de curentul i şi aflat în câmpul magnetic este:

în care lungimea orientată are sensul curentului electric.

Momentul magnetic permanent al unei bucle mici, cu suprafaţa dată, , orientată după direcţia indicată de regula burghiului drept şi parcursă de curentul i este:

În interiorul corpurilor omogene şi izotrope, fără magnetizaţie permanentă, inducţia magnetică este:

în care: este permeabilitatea mediului respectiv;

H – intensitatea câmpului magnetic, cu unitatea de măsură în SI: [H]SI = 1A/1m.

În medii omogene şi izotrope, câmpul magnetic al conductoarelor filiforme parcurse de curent continuu este dat de legea lui Biot – Savart - Laplace:

Sensul câmpului magnetic se asociază cu sensul curentului din conductor după regula burghiului drept.

4.2. Materiale magnetice

Starea locală de magnetizare este caracterizată de magnetizaţia , definită ca fiind:

în care: - momentul magnetic;

- volumul elementar din corpul magnetizat.

În orice punct al corpului, între inducţia , intensitatea câmpului şi magnetizaţia , există relaţia:

care reprezintă legea legăturii între , şi .

Magnetizaţia a unui corp poate avea două componente, una permanentă iar alta temporară :

Magnetizaţia permanentă este independentă de intensitatea câmpului magnetic, iar magnetizaţia temporară depinde de câmpul magnetit conform relaţiei:

numită şi legea magnetizaţiei temporare, relaţie în care este susceptivitatea magnetică.

Prin înlocuirea relaţiilor (4.9) şi (4.10) în (4.8) se obţine:

Mărimea reprezintă permeabilitatea magnetică relativă şi - permeabilitatea magnetică a mediului respectiv. Pentru situaţiile în care , se regăseşte relaţia (4.5).

După modalitatea în care corpurile se magnetizează, acestea se împart în: diamagnetice, paramagnetice, feromagnetice şi ferimagnetice.

Corpurile diamagnetice se caracterizează prin susceptivitate magnetică constantă, foarte mică, negativă şi . Exemple: argint, cupru, bismut.

Corpurile paramagnetice sunt caracterizate prin susceptivitate magnetică foarte mică, pozitivă, care scade cu temperatura, şi . Exemple: oxigen, platină, aluminiu, mangan.

Corpurile feromagnetice se caracterizează prin permeabilităţi relative şi susceptivităţi magnetice pozitive, de valori foarte mari, (102 ÷105), dependente de intensitatea câmpului magnetic, iar depăşirea unei anumite temperaturi critice, numită temperatură Curie, determină pierderea proprietăţilor feromagnetice.

La temperaturi mai mici decât pragul Curie, corpurile feromagnetice sunt împărţite în domenii Weiss, cu dimensiuni micronice, fiind considerate uniform şi total magnetizate, (toate momentele magnetice moleculare şi ale particulelor elementare sunt omoparalele). În absenţa unui câmp magnetic extern, direcţiile de magnetizare ale domeniilor elementare sunt orientate haotic şi dau o magnetizaţie macroscopică nulă. În prezenţa unui câmp magnetic extern, domeniile se orientează, rezultând o magnetizaţie a cărei intensitate creşte o dată cu , până la obţinerea fenomenului de saturaţie.

Dependenţa inducţiei magnetice de intensitatea câmpului magnetic pentru un material feromagnetic este redată în figura 4.1.

Presupunem că iniţial corpul este demagnetizat

şi treptat intensitatea câmpului magnetic creşte; inducţia magnetică va avea şi ea o creştere după caracteristica 0 – 1, numită şi curba de primă magnetizare. Prin varierea câmpului magnetic între Hm şi –Hm, se obţine parcurgerea completă a ciclului histerezis, cuprins între punctele specifice:

- 1 şi 4 - corespunzătoare inducţiei ±Bm maxime sau câmpului ±Hm maxim, de sens direct sau invers;

- 2 şi 5 - corespunzătoare inducţiei ±Br remanente, când câmpul H este nul;

- 3 şi 6 - corespunzătoare inducţiei nule, B = 0, când câmpul Hc, este unul coercitiv.

Suprafaţa închisă de conturul format de punctele 1 –2 – 3 – 4 – 5 – 6 –1 corespunde energiei înmagazinate sub formă de câmp magnetic. În funcţie de mărimea ariei cuprinse, materialele magnetice se împart în:

- materiale magnetice moi, caracterizate printr-un ciclu histerezis îngust şi un câmp coercitiv mic, utilizate pentru realizarea circuitelor magnetice ale maşinilor şi aparatelor electrice. Exemple: oţelul electrotehnic, cu un conţinut ridicat de siliciu, cuprins între (2 şi 4)% Si, permalloy-ul, dynamax-ul, fonta şi altele;

- materiale magnetice dure, caracterizate printr-un ciclu histerezis larg şi un câmp coercitiv mare, utilizate pentru realizarea magneţilor permanenţi ai excitaţiilor unor maşini electrice, sau a circuitelor magnetice din unele aparate electrice. Exemple: oţelul carbon călit, oţeluri AlNi, AlNiCo şi altele;