Cele mai importante aspecte ale lecției
Magneți: corpuri ce atrag materiale feroase (\(\text{Fe, Ni, Co}\)); pot fi naturali/artificiali și permanenți (stabili)/temporari (își pierd magnetismul la înlăturarea cauzei).
Efectul Oersted (1820): Orice curent electric creează în jurul său un câmp magnetic. Inversarea sensului curentului determină inversarea sensului liniilor de câmp.
Conductor liniar: Liniile de câmp sunt cercuri concentrice. Sensul se determină cu regula mâinii drepte (degetul mare = curentul \(I\), degetele curbate = liniile câmpului).
Bobină (solenoid): Se comportă la trecerea curentului ca un magnet bară. Degetele mâinii drepte în sensul curentului prin spire indică prin degetul mare Polul Nord al bobinei.
Spira: Se comportă ca o foiță magnetică: fața prin care ies liniile este pol Nord, iar cea prin care intră este pol Sud.
Efectul Oersted (1820): Orice curent electric creează în jurul său un câmp magnetic. Inversarea sensului curentului determină inversarea sensului liniilor de câmp.
Conductor liniar: Liniile de câmp sunt cercuri concentrice. Sensul se determină cu regula mâinii drepte (degetul mare = curentul \(I\), degetele curbate = liniile câmpului).
Bobină (solenoid): Se comportă la trecerea curentului ca un magnet bară. Degetele mâinii drepte în sensul curentului prin spire indică prin degetul mare Polul Nord al bobinei.
Spira: Se comportă ca o foiță magnetică: fața prin care ies liniile este pol Nord, iar cea prin care intră este pol Sud.
Magnetul este un corp care are proprietatea de a atrage obiecte din fier, aliaje ale fierului sau metale feroase (nichel, cobalt).
Totalitatea liniilor de câmp magnetic formează spectrul câmpului magnetic, care poate fi vizualizat experimental cu ajutorul piliturii de fier.
| Criteriu de clasificare | Categorii | Descriere / Exemple |
|---|---|---|
| După natură | Naturali / Artificiali | Magnetita (minereu natural) / Magneți fabricați industrial. |
| După stabilitatea proprietăților | Permanenți / Temporari | Permanenți: proprietăți stabile în mod natural în timp. Temporari: își pierd magnetismul după înlăturarea cauzei exterioare. |
| După formă | Diverse forme geometrice | Bară, potcoavă, ac magnetic, disc, liniar. |
Acul unei busole este un magnet permanent în formă de ac magnetic, care se orientează de-a lungul liniilor câmpului magnetic terestru.
Ce deosebire există între un magnet permanent și o bucată de fier atrasă temporar de acesta?
Magnetul permanent își menține proprietățile magnetice în mod stabil în timp. Bucata de fier se comportă ca un magnet temporar doar în prezența magnetului permanent și își pierde proprietățile magnetice imediat ce magnetul este îndepărtat.
Electromagnetismul este ramura fizicii care studiază legătura dintre fenomenele electrice și cele magnetice, descoperită în anul 1820 de fizicianul danez Hans Christian Oersted.
Un curent electric care parcurge un conductor generează întotdeauna în jurul acestuia un câmp magnetic.
Efectul magnetic se manifestă exclusiv pe durata trecerii curentului electric prin circuit!
Concluzii experimentale principale:
- La trecerea curentului electric printr-un conductor, un ac magnetic din apropiere deviază de la direcția nord-sud geografică.
- Inversarea sensului curentului electric prin conductor produce inversarea sensului de deviere a acului magnetic.
- La deschiderea circuitului (oprirea curentului), câmpul magnetic dispare, iar acul magnetic revine la orientarea inițială.
Cum se poate pune în evidență prezența câmpului magnetic din jurul unui fir metalic parcurs de curent electric?
Prin plasarea unui ac magnetic (sau a unei busole) în imediata apropiere a firului. Deviația acului la închiderea circuitului demonstrează existența câmpului magnetic. De asemenea, spectrul se poate vizualiza presărând pilitură de fier pe un suport cartonat perpendicular pe fir.
Spectrul câmpului magnetic din jurul unui conductor rectiliniu (liniar) este format din cercuri concentrice, aflate în plane perpendiculare pe conductor, cu centrul pe axa conductorului.
Regula mâinii drepte (pentru conductor liniar):
Se cuprinde conductorul cu mâna dreaptă astfel încât degetul mare depărtat să indice sensul curentului electric (\(I\)). Degetele îndoite (apropiate) vor indica sensul liniilor de câmp magnetic.
Se cuprinde conductorul cu mâna dreaptă astfel încât degetul mare depărtat să indice sensul curentului electric (\(I\)). Degetele îndoite (apropiate) vor indica sensul liniilor de câmp magnetic.
Regula tirbușonului / burghiului drept:
Se așază tirbușonul de-a lungul conductorului și se rotește astfel încât să înainteze în sensul curentului electric. Sensul de rotație al mânerului tirbușonului indică sensul liniilor de câmp magnetic.
Se așază tirbușonul de-a lungul conductorului și se rotește astfel încât să înainteze în sensul curentului electric. Sensul de rotație al mânerului tirbușonului indică sensul liniilor de câmp magnetic.
Dacă un curent electric circulă printr-un fir vertical de jos în sus, privind de deasupra firului, liniile de câmp magnetic sunt orientate în sens antiorar (trigonometric).
Un ac magnetic este așezat într-un punct oarecare de pe o linie de câmp a unui conductor liniar. Pe ce direcție se va așeza axa acului magnetic?
Axa acului magnetic se orientează pe direcția tangentă la cercul liniei de câmp magnetic în punctul respectiv, cu polul nord orientat în sensul liniei de câmp.
Bobina (solenoidul) este un ansamblu de spire conductoare identice, paralele și echidistante, înfășurate pe un suport (care poate conține un miez magnetic).
O spiră parcursă de curent se comportă ca o foiță magnetică (un magnet foarte scurt), având două fețe cu polarități magnetice opuse:
- Polul Sud (\(S\)): fața prin care liniile de câmp intră în spiră.
- Polul Nord (\(N\)): fața prin care liniile de câmp ies din spiră.
Bobina parcursă de curent se comportă ca un magnet bară:
- Liniile de câmp din interiorul bobinei sunt paralele cu axa acesteia și au același sens.
- Liniile de câmp din exterior sunt identice cu cele ale unui magnet permanent în formă de bară.
- Bobina poate acumula energie magnetică.
Regula mâinii drepte (pentru spiră / bobină):
Se așază palma dreaptă astfel încât degetele îndoite să urmărească sensul curentului electric prin spire. Degetul mare depărtat va indica sensul liniilor de câmp magnetic din interiorul bobinei (adică indică Polul Nord al acesteia).
Se așază palma dreaptă astfel încât degetele îndoite să urmărească sensul curentului electric prin spire. Degetul mare depărtat va indica sensul liniilor de câmp magnetic din interiorul bobinei (adică indică Polul Nord al acesteia).
Ce se întâmplă cu polii magnetici ai unei bobine dacă inversăm bornele sursei de alimentare la care este conectată?
Inversarea bornelor determină schimbarea sensului curentului electric prin spire. Conform regulii mâinii drepte, sensul liniilor de câmp magnetic se inversează, ceea ce duce la inversarea polilor magnetici (polul Nord devine pol Sud și invers).
Probleme practice
Problema 1 (Ușoară)
Un ac magnetic mobil este plasat sub un conductor rectiliniu orientat pe direcția nord-sud geografică. Când prin conductor trece un curent electric continuu, acul magnetic deviază.
a) Ce fenomen fizic este ilustrat în acest experiment și cine l-a descoperit?
b) Ce se va întâmpla cu acul dacă se întrerupe curentul electric prin conductor?
Un ac magnetic mobil este plasat sub un conductor rectiliniu orientat pe direcția nord-sud geografică. Când prin conductor trece un curent electric continuu, acul magnetic deviază.
a) Ce fenomen fizic este ilustrat în acest experiment și cine l-a descoperit?
b) Ce se va întâmpla cu acul dacă se întrerupe curentul electric prin conductor?
a) Experimentul ilustrează efectul magnetic al curentului electric (apariția unui câmp magnetic în jurul unui conductor parcurs de sarcină electrică), fenomen descoperit în 1820 de Hans Christian Oersted.
b) La deschiderea circuitului, câmpul magnetic creat de curent dispare, iar acul magnetic revine la orientarea sa naturală de echilibru de-a lungul meridianului magnetic terestru (direcția Nord-Sud).
b) La deschiderea circuitului, câmpul magnetic creat de curent dispare, iar acul magnetic revine la orientarea sa naturală de echilibru de-a lungul meridianului magnetic terestru (direcția Nord-Sud).
Problema 2 (Medie)
Printr-un conductor vertical lung trece un curent electric orientat de sus în jos. Privind conductorul din plan orizontal de deasupra:
a) Care este sensul liniilor de câmp magnetic (orar sau antiorar)?
b) În ce direcție va arăta polul nord al unui ac magnetic așezat la est de conductor?
Printr-un conductor vertical lung trece un curent electric orientat de sus în jos. Privind conductorul din plan orizontal de deasupra:
a) Care este sensul liniilor de câmp magnetic (orar sau antiorar)?
b) În ce direcție va arăta polul nord al unui ac magnetic așezat la est de conductor?
a) Aplicăm regula mâinii drepte: orientăm degetul mare în jos (în sensul curentului). Degetele curbate arată sensul de rotație al acelor de ceasornic (sens orar).
b) Liniile de câmp formează cercuri parcurse în sens orar. Într-un punct situat la est de conductor, tangenta la cerc orientată în sens orar este îndreptată spre Sud. Prin urmare, polul nord al acului magnetic va fi orientat spre Sud.
b) Liniile de câmp formează cercuri parcurse în sens orar. Într-un punct situat la est de conductor, tangenta la cerc orientată în sens orar este îndreptată spre Sud. Prin urmare, polul nord al acului magnetic va fi orientat spre Sud.
Problema 3 (Medie)
O bobină conectată la un circuit de curent continuu este așezată orizontal. Privind din capătul drept al bobinei, curentul electric prin spire circulă în sensul acelor de ceasornic.
a) Determinați polaritatea magnetică (Nord sau Sud) a capătului drept al bobinei.
b) Ce tip de interacțiune (atracție sau respingere) va exista între capătul drept al bobinei și polul sud al unui magnet bară permanent apropiat de acesta?
O bobină conectată la un circuit de curent continuu este așezată orizontal. Privind din capătul drept al bobinei, curentul electric prin spire circulă în sensul acelor de ceasornic.
a) Determinați polaritatea magnetică (Nord sau Sud) a capătului drept al bobinei.
b) Ce tip de interacțiune (atracție sau respingere) va exista între capătul drept al bobinei și polul sud al unui magnet bară permanent apropiat de acesta?
a) Conform regulii burghiului/tirbușonului, o rotație în sensul acelor de ceasornic face ca burghiul să înainteze spre interiorul bobinei. Liniile de câmp magnetic intră prin fața dreaptă, ceea ce înseamnă că la capătul drept se formează un pol Sud (\(S\)). (Alternativ, conform regulii mâinii drepte, degetul mare arată spre stânga, deci capătul stâng este Nord, iar cel drept este Sud).
b) Deoarece capătul drept este un pol Sud magnetic, iar polul apropiat al magnetului permanent este tot un pol Sud, între cei doi poli de același nume se va exercita o forță de respingere.
b) Deoarece capătul drept este un pol Sud magnetic, iar polul apropiat al magnetului permanent este tot un pol Sud, între cei doi poli de același nume se va exercita o forță de respingere.
Problema 4 (Dificilă)
Un cui de fier moale este înfășurat cu un fir de cupru izolat ale cărui capete sunt legate la o baterie printr-un întrerupător, realizându-se un electromagnet.
a) Explicați de ce ansamblul poate atrage agrafe de birou din oțel doar când întrerupătorul este închis.
b) De ce miezul de fier își pierde aproape complet proprietățile de atracție după deschiderea circuitului?
c) Menționați două metode prin care se poate mări forța de atracție a acestui electromagnet.
Un cui de fier moale este înfășurat cu un fir de cupru izolat ale cărui capete sunt legate la o baterie printr-un întrerupător, realizându-se un electromagnet.
a) Explicați de ce ansamblul poate atrage agrafe de birou din oțel doar când întrerupătorul este închis.
b) De ce miezul de fier își pierde aproape complet proprietățile de atracție după deschiderea circuitului?
c) Menționați două metode prin care se poate mări forța de atracție a acestui electromagnet.
a) La închiderea întrerupătorului, curentul electric parcurge spirele înfășurate și generează un câmp magnetic puternic concentrat în miez. Cuiul se magnetizează și devine magnet, exercitând forțe de atracție asupra materialelor feromagnetice (agrafele de birou).
b) Fierul moale este un material feromagnetic care funcționează ca un magnet temporar. La întreruperea curentului electric, cauza magnetizării dispare, iar miezul își pierde proprietățile magnetice.
c) Forța magnetică a electromagnetului poate fi mărită prin:
b) Fierul moale este un material feromagnetic care funcționează ca un magnet temporar. La întreruperea curentului electric, cauza magnetizării dispare, iar miezul își pierde proprietățile magnetice.
c) Forța magnetică a electromagnetului poate fi mărită prin:
- Mărirea numărului de spire înfășurate pe cui.
- Creșterea intensității curentului electric ce străbate bobina (de exemplu, folosind o baterie cu tensiune mai mare).
