Pe scurt
Electromagnetismul studiază interacțiunile dintre sarcinile electrice în mișcare și câmpurile magnetice. Forța Lorentz acționează asupra particulelor încărcate care se deplasează într-un câmp magnetic, iar legea lui Faraday descrie generarea tensiunii electromotoare prin variația fluxului magnetic. Aceste principii stau la baza funcționării generatoarelor, transformatoarelor și motoarelor electrice.
Câmpul magnetic
Câmpul magnetic este generat de curenți electrici (sarcini în mișcare) și se reprezintă prin linii de câmp închise, orientate de la polul nord la sud în exteriorul magneților.
- Mărimea fundamentală este inducția magnetică B, măsurată în Tesla (T)
- Surse principale: magneți și curenți electrici
Forța Lorentz
Forța Lorentz descrie acțiunea câmpului magnetic asupra unei particule încărcate cu sarcina q, care se deplasează cu viteza v:
- Formula: F = q(v × B)
- Este întotdeauna perpendiculară pe viteză și pe câmp
- Nu efectuează lucru mecanic, dar modifică direcția mișcării
- Produce mișcare circulară uniformă (r = mv/(qB)) sau elicoidală dacă viteza are și componentă paralelă
Exemplu (Forța Lorentz)
Un electron (q = -1,6×10⁻¹⁹ C, m = 9,1×10⁻³¹ kg) pătrunde cu viteza v = 2×10⁶ m/s perpendicular pe liniile unui câmp magnetic omogen B = 0,5 T.
- a) Modulul forței Lorentz: F = q·v·B·sin90° = (1,6×10⁻¹⁹)·(2×10⁶)·0,5 = 1,6×10⁻¹³ N
- b) Raza traiectoriei circulare: r = m·v/(q·B) = (9,1×10⁻³¹·2×10⁶)/(1,6×10⁻¹⁹·0,5) = 2,275×10⁻⁵ m = 22,75 μm
Inducția electromagnetică (Legea lui Faraday)
Descoperită de Faraday, arată că un câmp magnetic variabil în timp generează un câmp electric, iar într-un circuit închis apare o tensiune electromotoare (t.e.m.) indusă.
- Legea lui Faraday: ε = -dΦ/dt
- Fluxul magnetic: Φ = B·A·cosθ, unde A este aria suprafeței circuitului
- Semnul minus (legea lui Lenz) indică faptul că tensiunea indusă se opune variației fluxului
- Pentru conductoare liniare care taie linii de câmp: ε = B·l·v
- Regula mâinii drepte determină sensul curentului indus
Exemplu (Inducție - conductor liniar)
O bară metalică de lungime l = 0,4 m se deplasează cu viteza constantă v = 5 m/s perpendicular pe liniile unui câmp magnetic omogen B = 0,2 T.
- Tensiunea electromotoare indusă: ε = B·l·v = 0,2·0,4·5 = 0,4 V
- Sensul curentului se determină cu regula mâinii drepte (degetul mare = viteza, index = câmp, degetul mijlociu = curentul indus)
Exemplu (Flux și legea lui Faraday)
O bobină cu N = 100 de spire, fiecare cu aria A = 0,01 m², este plasată perpendicular pe un câmp magnetic care variază liniar: B(t) = 0,5 + 2t (T).
- Fluxul printr-o spiră: Φ₁ = B·A·cos0° = (0,5 + 2t)·0,01
- Fluxul total: Φ_total = N·Φ₁ = 100·0,01·(0,5 + 2t) = (0,5 + 2t)
- Derivata: dΦ/dt = 2 Wb/s
- ε = -dΦ/dt = -2 V (modulul tensiunii este 2 V)
Aplicații practice
- Generatoarele electrice
- Transformatoarele
- Motoarele electrice
- Plitele cu inducție
- Sistemele de încărcare wireless
Verifică-te!
- Care este formula forței Lorentz și ce proprietăți are această forță în raport cu viteza particulei?
- Ce exprimă legea lui Faraday și ce semnificație are semnul minus din formula ε = -dΦ/dt?
- Cum se calculează raza traiectoriei circulare a unei particule încărcate care se deplasează perpendicular pe liniile unui câmp magnetic omogen?