Electromagnetul

În 1820, fizicianul danez Hans Christian Oersted a observat că acul unei busole se rotește atunci când este apropiat de un fir parcurs de curent. Un curent electric produce deci un câmp magnetic; acesta este efectul magnetic al curentului. Dacă înfășori firul în multe spire, adică într-o bobină, câmpurile spirelor se adună. Bobina parcursă de curent se comportă ca un magnet bară: are un pol nord și un pol sud, atrage obiecte de fier și orientează acul busolei. Polul nord se află de partea la care arată degetul mare al mâinii drepte, când degetele celorlalte patru sunt îndoite în sensul curentului prin spire.

Dacă introduci în bobină un cui sau o bară de fier moale, efectul magnetic crește de multe ori, deoarece fierul se magnetizează în câmpul bobinei, iar câmpul lui se adună peste cel al curentului. O bobină cu miez de fier se numește electromagnet. Când curentul se întrerupe, fierul moale își pierde aproape complet magnetizarea, iar obiectele atrase cad. Oțelul călit se comportă altfel: rămâne magnetizat și devine magnet permanent.

Forța cu care un electromagnet atrage obiectele crește când mărești intensitatea curentului, când mărești numărul de spire și când pui un miez de fier. Dacă inversezi bornele sursei, sensul curentului se schimbă, iar polii electromagnetului își schimbă locurile.

Electromagnetul se folosește în viața de zi cu zi acolo unde magnetismul trebuie pornit și oprit. Macaraua de la o groapă de fier vechi ridică o mașină stricată cu un electromagnet mare și o lasă jos când muncitorul oprește curentul. Soneria electrică are un electromagnet care atrage un ciocănel de clopoțel; ciocănelul întrerupe circuitul, electromagnetul se oprește, ciocănelul revine și sunetul se repetă cât ții butonul apăsat. Încuietoarea ușii de la interfon se deschide când un electromagnet este alimentat. Releele din aparate au tot un electromagnet, care închide un contact.

Un experiment simplu: înfășoară 50 de spire de fir izolat de cupru pe un cui de fier și leagă capetele firului la o baterie de $4,5\mathrm{V}$. Cuiul atrage câteva agrafe. Cu 100 de spire, sau cu două baterii în serie, atrage mai multe.

Exemplu rezolvat. Un elev înfășoară 100 de spire pe un cui și leagă firul la o baterie de $4,5\mathrm{V}$. Rezistența firului este $3,0\Omega$. Ce intensitate are curentul, ce putere are și ce căldură se degajă într-un minut?

1. Din legea lui Ohm, $I=U/R=4,5/3,0=1,5\mathrm{A}$.
2. Puterea electrică este $P=U\cdot I=4,5\cdot 1,5=6,75\mathrm{W}$.
3. În $t=1\min =60\mathrm{s}$ se degajă $Q=P\cdot t=6,75\cdot 60=405\mathrm{J}$.

Căldura se degajă în fir, iar bateria se descarcă repede. Din acest motiv circuitul se închide numai câteva secunde. Niciodată nu legi bobina la priză: tensiunea de $230\mathrm{V}$ este periculoasă pentru viață.

Efectul magnetic al unei bobine depinde de produsul $NI$ dintre numărul de spire și intensitatea curentului, măsurat în amper-spire: o bobină cu $400$ de spire parcursă de $1\mathrm{A}$ are aceeași acțiune magnetică ca una cu $100$ de spire parcursă de $4\mathrm{A}$. Spirele se însumează pentru că fiecare contribuie cu propriul câmp, iar în interiorul bobinei aceste câmpuri au același sens.

Un miez de fier moale mărește mult efectul bobinei: fierul se magnetizează în același sens cu câmpul bobinei, iar câmpul lui se adaugă celui produs de spire. De aceea același curent, prin aceleași spire, ridică piese mult mai grele când bobina are miez. Un miez de lemn sau de plastic nu se magnetizează și nu schimbă efectul bobinei goale. Un miez de oțel rămâne magnetizat după întreruperea curentului, motiv pentru care electromagneții se fac cu fier moale: piesa ridicată trebuie să cadă când macaraua oprește curentul.

Creșterea efectului cu curentul are o limită. Când fierul din miez s-a magnetizat aproape complet, mărirea curentului mai adaugă foarte puțin la acțiunea magnetică; spunem că miezul s-a saturat. Peste această limită, un curent mai mare aduce în principal mai multă încălzire a firului, nu un electromagnet mai puternic.

Atracția față de un obiect de fier neutru nu depinde de sensul curentului: fierul se magnetizează prin influență, iar polul indus de partea electromagnetului este opus polului acestuia, deci obiectul este atras indiferent care pol este activ. Un magnet permanent aflat în apropiere se comportă diferit, fiindcă este atras sau respins după orientarea polilor.

Mărirea curentului nu poate continua oricât, deoarece firul se încălzește după legea lui Joule, $Q=R{I}^{2}t$, iar izolația se poate topi. De aceea electromagneții puternici se fac din fir gros, cu rezistență mică, iar cei care ridică piese grele sunt alimentați doar cât durează manevra.

Exemplu rezolvat 1. Un electromagnet are $N=500$ de spire și este parcurs de curentul $I=0,80\mathrm{A}$. Rezistența firului este $R=5,0\Omega$. Elevul vrea să dubleze efectul magnetic fără să schimbe numărul de spire. Ce curent este necesar și ce se întâmplă cu încălzirea?

1. Produsul inițial este $NI=500\cdot 0,80=400\mathrm{A}\cdot \mathrm{spire}$.
2. Pentru a-l dubla, trebuie $NI=800\mathrm{A}\cdot \mathrm{spire}$, deci $I^{\prime }=800/500=1,6\mathrm{A}$.
3. Tensiunea necesară crește de la $U=RI=4,0\mathrm{V}$ la $U^{\prime }=R{I}^{\prime }=8,0\mathrm{V}$.
4. Puterea disipată în fir crește de la $P=R{I}^2=3,2\mathrm{W}$ la $P^{\prime }=R{I}^{\prime 2}=12,8\mathrm{W}$.

Dublarea curentului dublează efectul magnetic, dar împătrește încălzirea firului, pentru că puterea disipată depinde de pătratul curentului.

Exemplu rezolvat 2. O sursă ideală de $12\mathrm{V}$ alimentează două bobine din același fir, cu rezistența $0,020\Omega$ pe spiră. Prima are $N_1=100$ de spire. A doua are $N_2=200$ de spire, înfășurate în două straturi, pe aceeași lungime.

1. Rezistențele sunt $R_1=100\cdot 0,020=2,0\Omega$ și $R_2=200\cdot 0,020=4,0\Omega$.
2. Intensitățile sunt $I_1=12/2,0=6,0\mathrm{A}$ și $I_2=12/4,0=3,0\mathrm{A}$.
3. Produsele $NI$ sunt $100\cdot 6,0=600\mathrm{A}\cdot \mathrm{spire}$ și $200\cdot 3,0=600\mathrm{A}\cdot \mathrm{spire}$, deci efectul magnetic este același.
4. Puterile disipate sunt $P=UI$, adică $72\mathrm{W}$ și $36\mathrm{W}$.

La tensiune constantă, mai multe spire din același fir nu măresc câmpul și reduc încălzirea. Efectul crește numai dacă firul este mai gros, deci cu rezistența mai mică pe spiră, sau dacă tensiunea este mai mare. Cu o sursă reală, de t.e.m. $E=12\mathrm{V}$ și rezistență internă $r=1,0\Omega$, iar rezistența unei spire $r_1=0,020\Omega$, produsul $NI=NE/(N{r}_1+r)$ crește totuși cu $N$: $400\mathrm{A}\cdot \mathrm{spire}$ pentru $N=100$ și $480\mathrm{A}\cdot \mathrm{spire}$ pentru $N=200$.

Greșeli frecvente

• Greșit: electromagnetul rămâne puternic magnetizat după ce curentul a fost oprit.
  Corect: miezul de fier moale își pierde aproape complet magnetizarea, iar bobina fără curent nu mai produce câmp.
• Greșit: a spune că inversarea curentului nu schimbă polii bobinei.
  Corect: inversarea sensului curentului inversează polii.
• Greșit: a ignora încălzirea firului la curenți mari.
  Corect: curentul mare încălzește firul, deci trebuie limitat.
• Greșit: miezul de fier produce el însuși câmpul.
  Corect: câmpul provine din curentul din bobină, iar miezul de fier îl amplifică, pentru că se magnetizează în câmpul bobinei.
• Greșit: dacă dublezi numărul de spire din același fir, la aceeași tensiune, câmpul se dublează.
  Corect: rezistența firului se dublează și ea, curentul scade la jumătate, iar produsul $NI$ rămâne același.

Înainte și după