Magnetismoa eta Eremu Magnetikoak: Oinarrizko Kontzeptuak eta Aplikazioak

1. Magnetismoa

Imana burdinazko objektuak bortizki erakartzeko gai den gorputza da. Bi polo bereizten dira (I eta H poloak). Mota berekoek elkar aldaratzen dute eta kontrakoek erakartzen dute. Ipar poloa Lurraren ipar geografikorantz orientatzen da. Poloak ezin dira banandu.

1.1. Magnetismoaren iturriak

Imanen propietate orokorrak:

• Burdina, kobaltoa, nikela edo metal horien aleazioak ere bihur daitezke iman artifizial. Eta, hain zuzen ere, horiexek dira normalean erabiltzen ditugunak.
• Mota bereko poloak elkar aldaratzen dute eta aurkako motakoek elkar erakartzen dute.
• Iman beraren bi poloak, desberdinak izan arren, ezin dira banandu. Iman bat erditik apurtuz gero, ez ditugu ipar polo bat eta hego polo banandurik lortzen, bi iman txikiago baizik, bakoitzak bere ipar eta hego poloak dituela.

Oersted-en esperimentua

Korronte elektrikoak iparrorratzaren orratz imandua desbideratzen du. Kabletik korronterik ez badabil, orratza iparraldera seinalatzen du. Korrontea pasatzen bada, orratzak korrontearen norabidearekiko perpendikularrean orientatuko da. Honen bidez jakin ahal dugu elektrizitatea eta magnetismoa estu erlazionaturik daudela.

1.2. Magnetismo naturalaren azalpena

Magnetismo naturala materiaren barnean eratzen diren korronte txiki eta itxiek sortzen dute. Korronte txiki horiek atomoen barnean elektroiek dituzten higidurekin identifikatzen dira. Nukleoaren inguruan biraka dabilen elektroia korronte baten baliokidea da, eta horrek iman txiki baten moduko efektu magnetikoak sortzen ditu.

Dipolo magnetikoak (iman txikiak):

• Jarrera material ez-imanduan: Noranzko desberdinak.
• Jarrera material imanduan: Noranzko berekoak.

2. Eremu magnetikoaren azterketa

Eremu magnetikoa iman batek edo korronte elektriko batek bere inguruko espazioan sorturiko perturbazioa da.

2.1. Eremu magnetikoaren deskribapena

Eremu magnetikoaren intentsitatea determinatzeko, eremu magnetikoa edo indukzio magnetikoa, B deritzon bektorea, definitu behar da.

Esperimentalki egiazta daiteke:

• Karga geldi dagoenean, kargak ez du inolako indarrik jasaten.
• Karga v abiaduran higitzen ari denean, ezaugarri hauek dituen indar magnetiko bat jasaten du:

• Kargaren balioaren, |q|, proportzionala da.
• v abiaduraren proportzionala da.
• Modulua abiaduraren norabidearen mendekoa da.

Puntu bateko indukzio magnetikoa:

• Norabidea: kargen gainean indar magnetiko nulua dagokion abiaduraren norabidea.
• Noranzkoa: ezker-eskuaren arauaren bidez determinatzen da. Arau hori karga positiboen kasuan aplikatzen da soilik. Karga negatiboa bada, norabide berean baina aurkako noranzkoan.

Modulua hauxe da:

B = F / (q * v * sin θ)

non:

• F = indar magnetikoa
• v = kargaren abiadura

F_m = q(v x B)

2.2. Eremu magnetikoaren adierazpen grafikoa

Eremu magnetikoa nolakoa den ikusarazteko, indukzio magnetikoaren lerroak erabiltzen dira.

• Espazioko puntu bakoitzean, indukzio magnetiko bektorea, B, indukzio-lerroen ukitzailea da eta lerroen norazko berbera du.
• Eskualde bateko indukzio magnetikoaren lerroen dentsitatea eta B eskualde horretan duen moduluarekiko proportzionalak dira.

Tesla eta SI sistemako beste unitateen arteko erlazioa honako hau da:

1T = N / (C * m * s^-1) = 1 N / (A * m)

Tesla unitatea nahiko handia da: Lurraren eremu magnetikoa 10^-4 T baino zerbait txikiagoa da, eta iman bortitz batena 0,1 T-koa. Horregatik, kasu askotan gauss (G) unitatea erabiltzen da. 1G = 10^-4 T

2.3. Eremu magnetikoaren iturriak

Korronte-elementu batek sorturiko eremu magnetikoa: Biot-en eta Savart-en legea

Lege honek korronteek sorturiko eremu magnetikoa zehazten du.

dB = (μ₀ / 4π) * (I dl x u_r) / r²

Ampere-ren teorema

Eremu magnetikoaren zirkulazioa indukzio magnetikoaren eta ibilbide-elementuaren arteko biderkadura eskalarraren integrala da, ibilbide horretan zehar buruturikoa.

Edozein kurba itxitan zehar, C, kalkulaturiko eremu magnetikoaren zirkulazioa iragazkortasunaren, μ₀, eta C kurba itxiak mugaturiko gainazala zeharkatzen duen korronte elektrikoaren intentsitatearen, I, arteko biderkadura da.

∮_C B · dl = μ₀ * I_C

2.4. Higitzen ari den kargaren gaineko indarra: Lorentz-en legea

Propietateak:

• Karga pausagunean badago, eremuak ez dio inolako indarrik eragiten.
• Karga higitzen ari bada:
  • Kargaren balioaren, q, proportzionala da.
  • v abiadurarekiko perpendikularra.
  • Modulua abiaduraren norabidearen mendekoa.

Lorentz-en indarra deritzo.

• Modulua: F = q(v x B); F = qvB
• Lorentz-en indarraren norabidea v x B biderkadura bektorialak determinaturikoa da. Noranzkoa ezker-eskuaren arauaren bidez.
  • F_m ⊥ W; F_m (indar magnetikoa)
  • F_m ezin du abiaduraren modulua aldarazi, baina bai norabidea.
  • Lorentz-en indarrak karga higidura zirkular uniformea burutzera bultzatuko du: indar zentripetuarekin berdinduz lortzen dugu zirkunferentziaren erradioa kalkulatzea:

F = ma_z = mv²/R

qvB = mv²/R

R = mv / qB

Korronte-elementu baten gaineko indar magnetikoa

Korronte elektrikoa zirkulatzen ari den eroaleak indar bat jasaten du eremu magnetikoan kokatuta dagoenean. Eremu magnetikoak korrontea osatzen duten kargei egindako Lorentz-en indar guztien erresultantea da.

• Korronte-elementu batean:
  • dF = I(dl x B)
• Eremu magnetiko uniformean dagoen hari zuzen eroale batean:
  • F = I(l x B)

Korronte paraleloen arteko indarrak

Korronte elektrikoak noranzko berekoak izatean, hariek elkartzeko joera hartzen dute. Aurkako noranzkoak izatean, aldaratzen dira.

• Bi eroale zuzen mugagabeek elkarri luzera-unitateko egiten diotena:
  • F/l = (μ₀ * I₁ * I₂) / (2πd)

3. Materiaren portaera eremu magnetikoan

Material batzuk ez dute efekturik eremu magnetikoa aplikatzean. Material guztiak daude tamaina atomikoko iman edo dipolo magnetikoz eraturik. Dipolo hauek zorizko norabidean daude orientaturik. Material bati eremu magnetikoa aplikatzean, dipoloek eremuaren norabidean orientatzeko joera dute, noranzko batean edo bestean.

Materialaren barneko eremu magnetikoa, kanpokoa baino handiagoa edo txikiagoa izan daiteke.

• Substantzia paramagnetikoak: Iragazkortasun erlatiboa unitatea baino handiagoa da. Dipolo atomikoen parte txiki bat kanpoko eremu magnetikoaren noranzko berean orientatzen delako. Imanek oso ahulki erakartzen dituzte.
• Substantzia diamagnetikoak: Iragazkortasun erlatiboa unitatea baino txikiagoa da. Dipolo atomikoen parte txiki bat kanpoko eremu magnetikoaren aurkako noranzkoan orientatzen delako. Imanek oso ahulki aldaratzen dituzte.
• Substantzia ferromagnetikoak: Imanek oso bortizki erakartzen dituzte substantzia ferromagnetikoak. Gainera, material ferromagnetikoak oso erraz imandu daitezke.