Magnetisme

«Magnètica» redirigeix aquí. Si cerqueu el videojoc per a Nintendo DS, vegeu «Actionloop».

Línies de força a un imant de barra

En física, el magnetisme és un dels aspectes de l'electromagnetisme, que és una de les forces fonamentals de la naturalesa (juntament amb la gravetat, la força nuclear forta i la força nuclear dèbil).

La manifestació més coneguda del magnetisme és la força d'atracció o repulsió que actua entre els materials ferromagnètics com el ferro, el níquel, el cobalt i els seus aliatges. Però en realitat tots els materials són influenciats per la presència d'un camp magnètic, si es disposa dels instruments de mesura adequats és possible observar efectes més subtils del magnetisme, com paramagnetisme i diamagnetisme, a qualsevol tipus de matèria. Recentment, aquests efectes han proporcionat claus importants per a comprendre l'estructura atòmica de la matèria.

Des de l'antiguitat s'ha constatat la interacció entre el ferro o minerals com la magnetita amb el camp magnètic terrestre, la Terra es comporta com un imant gegantí amb dos pols magnètics, de manera que com el pol Nord d'un imant tendeix a apuntar al pol Sud d'un altre, les brúixoles tendeixen a alinear la seva agulla imantada amb els pols terrestres.

Per als fenòmens estacionaris hom parla de magnetoestàtica, per analogia amb l'electroestàtica, mentre que per als fenòmens lligats al temps cal recórrer a una descripció unificada dels camps magnètics i els camps elèctrics atès que les forces magnètiques poden ser produïdes pel moviment de partícules carregades, com per exemple electrons, aquesta descripció unificada són les equacions de Maxwell del 1864. Aquesta descripció unificada de l'electromagnetisme clàssic abasta manifestacions del magnetisme com un dels dos components de les ones electromagnètiques com la llum.

Física del magnetisme

Imants i materials magnètics

Article principal: Imant

Cada electró és un petit imant, cada un dels incomptables electrons que formen la matèria és orientat en una direcció aleatòria de manera que no hi ha una direcció privilegiada, i no hi ha cap efecte, però en el cas d'un imant els electrons són orientats en la mateixa direcció, per tant actuen de manera cooperativa creant un camp magnètic net.

En addició al camp magnètic intrínsec dels electrons, de vegades hi ha la presència d'un altre que és el resultat del seu moviment orbital entorn el nucli atòmic. Aquest efecte és anàleg al cas del camp magnètic que es genera entorn una espira de fil conductor pel que circula un corrent elèctric (dipol elèctric). També en aquest cas el moviment dels electrons és tal que normalment no es produeix un camp net que es pugui manifestar, però en condicions determinades el moviment pot esdevenir alineat i produir un camp magnètic mesurable.

El comportament magnètic total d'un material pot variar àmpliament en funció de la seva estructura i, en particular, de la seva configuració electrònica. Algunes de les formes de comportament magnètic que han estat observades a la matèria són:

Magnetisme, electricitat i relativitat especial

Com a conseqüència de la teoria de la relativitat especial d'Albert Einstein, l'electricitat i el magnetisme s'entenen com fenòmens lligats, cadascun per separat no tindrien sentit des del punt de vista de la relativitat especial a causa dels efectes de la contracció de Lorentz, la dilatació del temps i el fet que el camp magnètic depèn de la velocitat. Tanmateix quan ambdós fenòmens es consideren plegats, la teoria resultant de l'electromagnetisme és totalment consistent amb la relativitat especial. En particular, un fenomen que pot mostrar-se totalment elèctric a un observador, pot mostrar-se totalment magnètic a un altre, o dit de manera més general, la contribució relativa de l'electricitat i el magnetisme és dependent del sistema de referència. La relativitat especial mostra una interdependència entre magnetisme i electricitat (electromagnetisme) que és similar a la que mostra per l'espai i el temps (espaitemps).

Camps magnètics i forces

Llimadures de ferro alineades entorn d'un imant, seguint el seu camp magnètic

El fenomen del magnetisme es manifesta per mitjà dels camps magnètics, per exemple, un corrent elèctric o un dipol magnètic crea un camp magnètic, que al seu torn afecta a les partícules que són al camp.

Una bona aproximació són les equacions de Maxwell, que ignora els efectes quàntics (vegeu electrodinàmica quàntica) i que en el cas dels corrents estacionaris se simplifica a la llei de Biot-Savart. Aquestes equacions descriuen l'origen i el comportament dels camps que governen aquestes forces. Per tant el magnetisme és vist en tot moment com partícules carregades que són en moviment; per exemple, a partir del moviment dels electrons a un corrent elèctric o, en certs casos, a partir del moviment orbital dels electrons al voltant de nucli atòmic. També apareix a partir dels dipols intrínsecs que sorgeixen per efecte quàntic, com per exemple a partir de l'espín.

Les mateixes situacions que creen camps magnètics, càrregues en moviment a un corrent o a un àtom i els dipols magnètics intrínsecs, són també a les que es manifesten els seus efectes creant una força. La fórmula que hi ha a continuació correspon a les càrregues en moviment, per a les forces a un dipol intrínsec.

Quan una partícula carregada es mou a través d'un camp magnètic B, nota una força F que vindrà donada pel producte vectorial:

${\vec {F}}=q{\vec {v}}\times {\vec {B}}$

on

$q\,$ és la càrrega elèctrica de la partícula,

${\vec {v}}\,$ és el vector velocitat de la partícula, i

${\vec {B}}\,$ és el camp magnètic.

Com es tracta d'un producte vectorial, la força és perpendicular als moviments de la partícula i del camp magnètic.

La conseqüència que se segueix és que la força magnètica no fa treball sobre la partícula; pot canviar la direcció del seu moviment, però no pot fer que vagi més ràpida o que s'alenteixi. La magnitud de la força serà

$F=qvB\sin \theta \,$

on $\theta \,$ és l'angle entre els vectors ${\vec {v}}\,$ i ${\vec {B}}\,$.

Regla de la mà dreta

Una eina per determinar la direcció del vector velocitat d'una càrrega en moviment, el camp magnètic i la força que exerceix és considerar el dit índex com a V, el dit cor com a B i el dit polze com a F a la mà dreta. Si es posen els dits com a la imatge de la dreta, representen els vectors velocitat, camp i força respectivament.

La llei de Lenz, formulada pel físic alemany Heinrich Lenz el 1834, dona la direcció de la força electromotriu (fem) induïda i del corrent resultant de la inducció electromagnètica.

Origen del mot

La paraula significa «pedra de Magnèsia», l'antiga ciutat grega –avui a Turquia– on a l'antiquitat clàssica hi havia un conegut jaciment de pedres magnètiques.

Vegeu també: Camp magnètic, equacions de Maxwell, moment magnètic, magnetoestàtica, i parets de Bloch

Referències

Viccionari