CAMPUL MAGNETIC IN CORPURI. STAREA DE MAGNETIZARE A CORPURILOR

CAMPUL MAGNETIC IN CORPURI. STAREA DE MAGNETIZARE A CORPURILOR

Referitor la starea specifica campului electromagnetic denumita camp magnetic, reamintim ca ea a fost definita pe baza fortei Lorentz care se exercita asupra unei sarcini in miscare. Reamintim de asemenea ca conductoarele parcurse de curent electric sunt capabile sa creeze o astfel de stare, stare care ce poate fi evaluata pe baza legii Biot-Savart-Laplace.

Toate referirile de pana acum la starea camp magnetic au avut in vedere campul magnetic in vid sau in aer, aer care din punct de vedere magnetic are comportarea vidului si nu in corpuri. Acest capitol se refera la campul magnetic in corpuri, respectiv la comportarea substantelor in prezenta unor campuri magnetice.

1 Actiuni ponderomotoare asupra corpurilor in camp magnetic

Se constata experimental ca asupra unui corp de proba de dimensiuni reduse, aflat in repaus intr-un punct in care inductia magnetica are valoarea B₀ se exercita un cuplu de rotatie C_m care are urmatoarele proprietati:

- este perpendicular pe planul format de vectorul si de o directie (d) bine definita

- este proportional cu inductia B₀ si cu sinusul unghiului , , (Fig. 1.66).

Daca se noteaza cu m constanta de proportionalitate, o marime care caracterizeaza in mod evident corpul, atunci proprietatile de mai sus pot fi exprimate prin relatia scalara

(1.151)

respectiv prin expresia vectoriala

(1.152)

Am asociat asadar pe baza acestui experiment micului corp de proba o marime vectoriala ce caracterizeaza comportarea sa in camp magnetic, denumita moment magnetic ; evident ca are orientarea directiei (d).

O alta constatare experimentala este aceea ca daca corpul de proba se inlocuieste cu o bucla de curent de dimensiuni reduse,    Fig. 1.63, careia ii asociem marimea vectoriala

(1.153)

denumita moment magnetic al buclei de curent este vectorul arie orientata a buclei), atunci cuplul asupra buclei de curent are expresia similara . Ca urmare, rezulta ca unitatea de masura a momentului magnetic este [Am²]. Prin comparatie am fi tentati sa afirmam ca momentul magnetic al unui corp este datorat unor curenti electrici, ceea ce nu este adevarat.

Atunci cand campul magnetic nu este uniform, asa cum este cazul campului creat de bobina din figura 1.68, unde componenta axiala B_z depinde de coordonata z, se constata valori si orientari diferite ale fortei asupra unor corpuri din substante diferite.

Forta este proportionala cu , este nula in centrul 0 al bobinei, Fig. 1.68, si poate fi de atragere, respectiv de respingere in raport cu bobina. In tabelul de mai jos sunt consemnate valori ale fortei F_z asupra unui gram de substanta intr-un camp magnetic de inductie B_z = 1,8T si de gradient = T/m.

Substantele care sunt respinse dinspre zona unde campul magnetic este cel mai intens, cum sunt apa, cuprul, majoritatea compusilor anorganici si practic toti compusii organici sunt substante diamagnetice. Diamagnetismul este o proprietate a fiecarui atom. Atunci cand se constata o comportare opusa, aceasta se intampla deoarece diamagnetismul este intrecut de un efect mai puternic, care conduce la atractie.

Substantele care sunt atrase de regiunea de camp magnetic mai intens, cum este aluminiul, sunt denumite paramagnetice. In acest tip de substante efectul de atractie se intensifica pe masura ce temperatura scade conducand la efecte deosebite catre zero absolut (vezi in tabel oxigenul lichid la 90 K).

In sfarsit, substante care se comporta ca fierul, cobaltul, nichelul, care sunt atrase foarte puternic spre zona de camp intens, sunt denumite feromagnetice.

2 Caracterizarea comportarii corpurilor in camp magnetic

Asociind volumului elementar DV dintr-un corp momentul magnetic , starea locala de magnetizare se caracterizeaza prin densitatea de volum a momentului magnetic:

(1.154)

denumita magnetizatie. Unitatea de masura a magnetizatiei este [A/m], adica aceeasi ca si a intensitatii campului magnetic H.

Reamintim ca in vid, sau in orice gaz, cele doua marimi specifice campului magnetic inductia B si intensitatea H satisfac relatia , constanta de proportionalitate fiind permeabilitatea magnetica a vidului

Magnetizatia M, marime specifica magnetizarii corpurilor poate fi permanenta M_p , ceea ce in tehnica este cazul magnetilor permanenti, sau poate fi rezultatul plasarii corpului intr-un camp magnetic, existent si in absenta corpului. Prin urmare, magnetizatia poate fi temporara M_t. in cazul din urma marimea magnetizatiei se exprima in functie de intensitatea H a campului ce o determina prin relatia:

(1.155)

unde constanta de proportionalitate este denumita susceptivitate magnetica. Sunt prezentate in tabelul de mai jos valori ale susceptivitatii pentru cateva substante diamagnetice , respectiv paramagnetice

Desi magnetizatia este o marime specifica starii de magnetizare a corpurilor, se obisnuieste ca starea denumita camp magnetic in corpuri sa fie caracterizata prin marimile:

- intensitate a campului magnetic;

inductia magnetica , care este o marime definita prin relatia de legatura

(1.156)

Inlocuind rezulta

(1.157)

unde este denumita permeabilitate magnetica relativa a corpului, permeabilitate magnetica a corpului, iar inductie magnetica remanenta. Relatia (1.175) arata ca marimea este valoarea inductiei magnetice in corp atunci cand intensitatea campului magnetic este nula

Din punct de vedere microscopic proprietatile magnetice ale corpurilor sunt determinate de miscarea orbitala a electronilor in atom, careia ii corespunde momentul magnetic orbital si de miscarea electronilor in jurul axei proprii (denumita in fizica spinul electronului), caruia ii corespunde momentul magnetic din spin. Aceste miscari reprezinta la nivel microscopic curenti electrici elementari. Suma vectoriala a momentelor magnetice orbitale si de spin ale unei particule (atom, molecula) reprezinta momentul magnetic al particulei

Atunci cand intr-o particula elementara momentele magnetice de spin ale electronilor nu se compenseaza reciproc, particula are un moment magnetic nenul, este o particula magnetic polara . Substantele diamagnetice nu au particule magnetic polare, in schimb toate celelalte sunt constituite din particule elementare magnetic polare

In substantele diamagnetice campul magnetic actioneaza asupra miscarii orbitale a electronilor, determinand un moment magnetic indus, opus ca orientare campului.

In substantele paramagnetice campul magnetic orienteaza momentele magnetice spontane preponderent in directia sa, determinand o magnetizatie de acelasi sens.

Proprietatea fundamentala a substantelor feromagnetice este aceea ca daca temperatura este inferioara unei temperaturi critice, denumita punctul Curie, un numar foarte mare de momente magnetice spontane se grupeaza in domenii magnetice (de ordinul 0,001 - 10 mm³), in care toate momentele au aceeasi orientare. Magnetizarea acestor substante este rezultatul actiunii de orientare a domeniilor de catre campul exterior. Pentru o valoare data a intensitatii acestui camp, magnetizatia are valori mult mai mari decat in cazul substantelor paramagnetice.

Atunci cand temperatura depaseste punctul Curie, starea ordonata a domeniilor magnetice dispare si substantele capata comportament paramagnetic.

Substantele feromagnetice au un comportament neliniar si neunivoc. Dependenta inductiei sau a magnetizatiei in functie de intensitatea campului magnetic este una specifica. In figura 1.69 se reprezinta curba de magnetizare B(H) si curba permeabilitatii magnetice m(H), dependente pe baza carora se definesc:

- magnetizatia la saturatie M_s

- inductia la saturatie B_s, marimea

inductiei atunci cand M = M_s;

- zona "liniara" a curbei de magnetizare, OA;

- cotul curbei de magnetizare, AB;

- zona de saturatie a curbei de magnetizare, BC;

- permeabilitatea magnetica initiala m_i

- permeabilitatea magnetica maxima m_max

Curba de magnetizare OABC, Fig. 1.69 se obtine prin cresterea progresiva a intensitatii H pornind de la H =0. Daca procesul de magnetizare este periodic, H variind intre doua valori extreme + H_m si - H_m, atunci dependenta B(H) arata ca in figura 1.70, este neunivoca si se numeste ciclu de histerezis magnetic.

Daca intensitatea H_m corespunde magnetizarii la saturatie atunci ciclul corespunzator defineste:

- inductia remanenta B_r (pentru H = 0);

- intensitatea campului magnetic coercitiv H_c (pentru B = 0).

3 Materiale magnetice

In sensul aplicatiilor specifice ingineriei electrice, prin materiale magnetice se inteleg acelea cu o mare capacitate de magnetizare, temporara sau permanenta, respectiv sunt caracterizate de valori ridicate ale susceptivitatii , respectiv

ale permeabilitatii magnetice relative , sau ale inductiei remanente.

Principalele functii de utilizare a materialelor magnetice sunt:

- miez magnetic, respectiv de structura capabila sa orienteze campul magnetic;

- generarea campurilor magnetice stationare, respectiv functia de magnet    permanent

Prima categorie de materiale, destinata constructiei miezurilor magnetice de transformatoare, masini electrice, electromagneti, etc. constituie materialele magnetic moi. Acestea se caracterizeaza prin valori ridicate ale inductiei la saturatie B_s = 1,8 2,2 T, valori ridicate ale permeabilitatii magnetice (m_i sau m_max), ciclu de histerezis suplu, respectiv valori reduse B_r, H_C.

Cea de-a doua categorie, destinata magnetilor permanenti, este denumita materiale magnetic dure. Aceste materiale se caracterizeaza prin ciclu de histerezis foarte larg, respectiv prin valori importante ale inductiei magnetice remanente si ale intensitatii campului magnetic coercitiv.

Materiale pentru miezuri magnetice sunt fierul (99 99,9%), aliaje fier-siliciu, denumite otel electrotehnic, aliaje nichel-fier, aliaje fier-cobalt.

Magnetii permanenti sunt aliaje Fe-Al-Ni, Fe-Al-Ni-Co sau compusi ai Fe, Ni, Co cu elemente din grupa pamanturilor rare (samarin, ceriu).