L'electromagnetisme és la branca de la física que agrupa la descripció de tots els fenòmens elèctrics i magnètics. Això es planteja així perquè les variacions de camp elèctric produeixen camps magnètics i a l'inrevés, la qual cosa fa que tot estigui interrelacionat.

En l'escala que aquí ens interessa, el magnetisme té un paper important com a energia elèctrica, atès que la forma principal de generació d'energia que fan servir aparells i dispositius es basa en el fenomen del magnetisme.

Un camp magnètic es pot generar de manera natural (imants) i de manera artificial (corrents elèctrics). També es pot generar un corrent elèctric a partir de camps magnètics. Es poden classificar els diversos materials en funció del comportament envers els camps magnètics:

• Ferromagnètics
• Paramagnètics
• Diamagnètics

A més, l'electromagnetisme es pot caracteritzar mitjançant diferents magnituds físiques. Finalment, es poden construir circuits magnètics, de manera més o menys anàloga a com es fa amb els sistemes elèctrics; els circuits magnètics es poden aplicar de diferents maneres:

• Bobines
• Transformadors
• Autotransformadors
• Màquines rotatives

En la natura hi ha elements que tenen la propietat d'atraure certs materials, com ara el ferro (Fe), el cobalt (Co) i el níquel (Ni). Aquesta propietat s'anomena magnetisme i els elements que la tenen són els imants. Els elements que poden ser atrets pels imants reben el nom de materials ferromagnètics i tenen nombroses aplicacions en el món elèctric. Es fan servir en els transformadors, els micròfons, els altaveus, els motors elèctrics, els relés i els contactors, entre altres.

Les característiques que defineixen el comportament d'un imant es poden resumir en aquests conceptes:

• Pols. La brúixola és una aplicació pràctica de l'ús dels imants. Consisteix en una agulla imantada que gira lliurement al voltant del seu eix central. Un dels extrems d'aquesta agulla s'orienta cap al pol nord terrestre i l'altre, cap al pol sud. Per això es diu que un imant està format per dos pols: el nord, que és el que s'orienta cap al pol nord terrestre, i el sud, que és el que s'orienta cap al pol sud terrestre (figura 1).

Figura 1. Brúixola

• Impossibilitat de separació dels pols. No és possible separar els dos pols d'un imant. És a dir, si el partim per la meitat, es tornen a generar dos pols en cadascuna de les dues meitats. Si repetim aquesta divisió moltes vegades, arribarem a l'estructura mínima, anomenada molècula magnètica. Aquest efecte és degut al fet que un imant és compost per molècules magnètiques que tenen els dos pols perfectament alineats, mentre que elements com el ferro tenen totes les seves molècules desorientades, de manera que els efectes es contraresten entre si (figura 2).

Figura 2. Orientació molecular: (a) ferro, (b) imant

• Forces d'atracció i de repulsió. Si apropem dos imants, observarem que si ajuntem dos pols del mateix tipus es genera una força de repulsió que tendeix a separar-los. Contràriament, si apropem dos pols de diferent tipus, es genera una força d'atracció que tendeix a ajuntar-los (figura 3).

Figura 3. Atracció i repulsió dels imants

• Poder magnètic d'un imant. El poder magnètic més gran d'un imant es concentra en els pols i disminueix a mesura que ens apropem al centre de l'imant fins arribar a la línia neutra, en què no es perceben efectes magnètics.

Una experiència que serveix per observar el fenomen del camp magnètic consisteix a distribuir uniformement llimadures de ferro sobre tota la superfície d'una làmina de plàstic transparent. Si situem un imant sota la làmina, veurem que les llimadures de ferro es van orientant i, mentrestant, dibuixen la forma del camp magnètic que es crea al voltant de l'imant (figura 4).

Figura 4. Camp magnètic creat per un imant

Figura 5. Línies de camp magnètic al voltant d'un imant

Si observem bé la distribució de les llimadures, veurem que s'alineen tot formant línies tancades que van des d'un pol a l'altre. Aquestes línies s'anomenen línies de força del camp magnètic. Per convencionalisme, a aquestes línies s'assigna el sentit que va des del pol nord al pol sud per l'exterior de l'imant i del pol sud al pol nord per l'interior (vegeu la figura 5). D'altra banda, comprovarem que les línies són més concentrades com més s'apropen als pols i més disperses com més se n'allunyen.

L'electromagnetisme estudia les relacions que hi ha entre els camps magnètics i els corrents elèctrics. Aquestes relacions donen lloc a nombroses aplicacions en el món de l'electrotècnia. Hi ha diferents tipus de camps magnètics que es generen quan un corrent elèctric passa per un conductor, en funció del corrent pròpiament dit i de la geometria del conductor. Així:

• Un conductor rectilini (corrent elèctric rectilini) crearà un camp magnètic cilíndric (o helicoïdal, segons el cas).
• Un conductor solenoïdal (helicoïdal) crearà un camp magnètic rectilini (a l'interior).

D'altra banda, s'ha de tenir en compte que només un corrent elèctric variable pot generar un camp magnètic, i a l'inrevés: només un camp magnètic variable generarà un corrent elèctric.

Si col·loquem un conjunt de llimadures de ferro en un suport i en travessem el centre amb un conductor pel qual passa un corrent elèctric, veurem que les llimadures es disposen de manera concèntrica al voltant del conductor i així formen les línies de força que caracteritzen el camp magnètic generat. Per determinar el sentit d'aquestes línies es fa servir la regla del cargol, del llevataps o de Maxwell, segons la qual el sentit de les línies de força és el que s'obté en fer girar el llevataps o la rosca en el mateix sentit del corrent elèctric (figura 6).

Figura 6. Camp creat per un corrent rectilini

El valor de la inducció magnètica en un punt situat a una distància d del conductor el determina la llei de Biot i Savart, segons la qual ocorre el següent:

Aquí, B és la inducció magnètica resultant, μ₀ és la permeabilitat magnètica del mitjà en què és immers el conductor, I és el corrent en A i d és la distància en metres.

La permeabilitat magnètica es dóna a partir de la del buit, que és la següent:

Es calcula mitjançant la permeabilitat relativa μ _r del material a partir d'aquesta fórmula:

El camp magnètic creat per un conductor rectilini és molt feble, però si col·loquem el conductor en forma d'anell, el camp magnètic augmenta perquè les línies de força del conductor se sumen en la part central de l'anell. El sentit de les línies de força es continua determinant a partir de la llei del llevataps en cadascun dels punts dels conductors. Això es mostra en la figura 7.

Figura 7. Camp creat per un corrent rectilini

La inducció magnètica en el centre de l'espira la determina la llei d'Ampère:

Aquí, r és el radi de l'espira o anell de corrent.

Una bobina (solenoide) constitueix una sèrie de conductors en forma d'anell, l'un disposat al darrera de l'altre. Per tant, el camp de cada espira se suma al de la següent i es genera un camp uniforme i molt intens en l'eix central de la bobina. El sentit de les línies d'inducció el continua determinant la regla del llevataps (vegeu la figura 8).

Figura 8. Camp creat per un corrent solenoïdal

La inducció magnètica en un punt en l'interior de la bobina es determina amb qualsevol de les dues opcions de la fórmula següent:

Aquí, N és el nombre d'espires de la bobina i l és la longitud de la bobina expressada en metres. En la segona versió de la fórmula, n és el nombre d'espires per unitat de longitud.

Els imants es poden trobar en la natura en forma de mineral, com la magnetita, però també se'n poden crear d'artificials a partir d'elements ferromagnètics. La taula 1 recull els tipus de comportaments principals de la matèria envers el magnetisme.

Taula 1. Tipus d'imants segons el comportament de la matèria envers el magnetisme

Depenent del comportament de la matèria respecte del magnetisme, hi ha dues classes d'imants:

• Imants permanents, com els que són d'acer, els quals una vegada han quedat imantats mantenen les propietats durant un llarg període de temps (els tornavisos imantats en són un exemple). Altres aliatges que es fan servir en la construcció d'imants permanents són els següents: l'acer i tungstè, l'acer i cobalt, el ferro i el níquel, el neodimi i el ferro (Nd₂Fe₁₄B).

• Imants temporals, com els de ferro, els quals només mantenen les propietats quan se sotmeten a camps magnètics, però són molt útils en la construcció d'electroimants i es poden fer servir per construir relés, contactors, motors, generadors o transformadors.

Igual que es defineixen les magnituds elèctriques, les diverses magnituds magnètiques descriuen el comportament dels circuits electromagnètics: la inducció magnètica és, a grans trets, el camp magnètic que travessa un material, i s'expressa com la quantitat de línies de camp que travessen una superfície perpendicular al camp; la intensitat de camp magnètic és un concepte molt familiar a l'anterior, i expressa la quantitat de línies de camp que travessen una superfície en el buit (la relació entre intensitat de camp i inducció serà un paràmetre que dependrà exclusivament del material); el flux expressarà la inducció quan la superfície no sigui perpendicular, i la reluctància i la permeabilitat magnètiques expressaran altres propietats dels materials també relacionades amb el magnetisme.

Per poder mesurar el camp magnètic que genera un imant es fa servir la magnitud vectorial anomenada inducció de camp magnètic (B), que es defineix com la quantitat de línies d'inducció que passen per la unitat de superfície perpendicular a la direcció de les línies de camp. La unitat d'inducció magnètica és el tesla (T).

Nikola Tesla (1856-1943)

Un altre concepte estretament lligat al concepte de camp magnètic és el de flux magnètic (Φ), el qual indica la quantitat de línies d'inducció magnètica que travessen una superfície, és a dir, la densitat de línies de camp magnètic que travessen aquesta superfície. Si la inducció és uniforme, el flux magnètic equival al següent:

Figura 9. Flux magnètic a través d'una superfície

La intensitat de camp magnètic que és capaç de generar una bobina la determina l'expressió següent:

Aquí, N és el nombre d'espires de la bobina, I és el corrent en A i l és la longitud de la bobina expressada en metres.

La reluctància va lligada a les característiques magnètiques del material que travessa el camp magnètic i també al fet de si aquest material deixa establir les línies de força en el seu interior en un major o menor grau. Així, el materials no ferromagnètics posseeixen una reluctància molt elevada, mentre que els ferromagnètics tenen una reluctància molt baixa.

En l'àmbit elèctric, l'equivalent seria la resistència que oposa un material al pas de corrent. El valor de reluctància el determina la llei de Hopkinson, que estableix la relació que hi ha entre el flux, la força magnetomotriu i la reluctància del material (és una expressió anàloga a la llei d'Ohm):

Aquí, és la reluctància del material, la força magnetomotriu (fmm) en amperes volta (Av) i Φ el flux expressat en Wb.

Una altra manera de definir-la és la següent:

Aquí, l és la longitud del circuit magnètic en m i A, l'àrea de la secció del circuit magnètic (del nucli magnètic) en m².

La permeabilitat magnètica d'un material és la capacitat que té d'augmentar les propietats magnètiques d'una bobina. Així, si una bobina genera un camp magnètic B₀ quan és a l'aire, si un material s'introdueix dins el nucli de la bobina, generarà una camp magnètic que serà el següent:

Aquí, μ _r és la permeabilitat relativa, que es defineix com la relació entre la permeabilitat absoluta (μ) del material que s'insereix a l'interior de la bobina i la permeabilitat del buit μ₀:

La permeabilitat absoluta i la permeabilitat del buit es mesuren en H/m. En el cas del buit,

La permeabilitat relativa és adimensional, ja que és la relació entre la permeabilitat absoluta del material i la permeabilitat absoluta de l'aire.

En termes purament físics, la permeabilitat absoluta d'un material relaciona la intensitat de camp (H) que produeix una bobina amb el material del seu interior amb el valor de la inducció magnètica (B):

Un circuit magnètic és un sistema en què les línies de camp magnètic viatgen canalitzades per un camí tancat. Els circuits magnètics es basen en els materials ferromagnètics, que en tenir una permeabilitat molt alta fan que el camp magnètic tendeixi a romandre dins del material (vegeu la figura 10).

Figura 10. Flux magnètic a través d'un material ferromagnètic

Si es crea una estructura ferromagnètica tancada es pot generar un camí tancat per al flux magnètic. Això es fa, per exemple, en dispositius amb nuclis toroïdals i similars, com els transformadors (vegeu la figura 11).

Figura 11. Circuit magnètic elemental amb un nucli quadrat

Quan un circuit magnètic en repòs se sotmet a l'acció d'un camp magnètic creixent (H), la inductància magnètica que apareix sobre l'element (B) creix d'una manera quasi lineal fins que arriba a un punt b, en el qual deixa de créixer i el valor de B s'estabilitza. Aquest punt rep el nom de punt de saturació magnètica i a partir d'aquí, per molt que s'incrementi el camp magnètic, la inductància magnètica gairebé no variarà. Aquesta corba s'anomena corba de magnetització (vegeu la figura 12).

Figura 12. Corba de magnetització

Un cop arribats al punt b, si es disminueix el valor de H, es veu que no retorna pel mateix camí que va fer servir per pujar, sinó que retorna fins al punt c, en què no hi ha intensitat de camp en la bobina, però sí que hi ha inducció magnètica. Si canviem el sentit de la intensitat del camp magnètic, la inducció continua baixant fins a un punt en què la inducció magnètica és igual a zero, i si la intensitat de camp magnètic augmenta encara més en aquest sentit s'arriba al punt d o punt de saturació en sentit negatiu.

Un cop situats en el punt d, si es disminueix el valor de H, el camí de tornada passa pel punt e, en què es canvia el sentit del camp magnètic. Si el valor de H augmenta en aquest sentit nou, s'arriba una altra vegada al punt b, tot passant abans pel punt d'inducció magnètica zero.

La corba que mostra la figura 12 és la típica corba de magnetització dels materials ferromagnètics i determina el comportament d'aquests materials envers els canvis d'intensitat que es produeixen en el camp.

Les corbes que descriuen trajectòries com la que es pot veure en la figura 12 reben el nom de cicles d'histèresi. En el cas que ara ens ocupa, són les que marquen si un material és magnetitzable de manera permanent (quan es treu el camp H, queda una inducció romanent B, com passa en els punts c i e de la figura 12).