El flux magnètic (també anomenat en alguns contextos flux de camp magnètic) és una magnitud física que mesura la quantitat de camp magnètic que travessa una superfície determinada. En termes més precisos, quantifica la component del camp magnètic que "creua" aquesta superfície en funció de la seva orientació.
Per visualitzar-lo, podem imaginar un camp magnètic a l'espai, com el que envolta un imant. Si col·loquem una superfície en aquesta regió, el flux magnètic dependrà de la intensitat del camp, de l'àrea de la superfície i de la seva orientació respecte al camp.
Definició matemàtica
En el cas més general, el flux magnètic es defineix mitjançant una integral de superfície:
On el producte escalar indica que només contribueix la component del camp magnètic perpendicular a la superfície.
En el cas particular d' un camp uniforme i una superfície plana, l' expressió se simplifica a:
On:
- Φ: flux magnètic, en weber (Wb)
- B: densitat de flux magnètic o inducció magnètica, en tesla (T)
- A: àrea de la superfície, en metres quadrats (m²)
- θ: angle entre el camp magnètic i la normal a la superfície
La unitat del flux magnètic en el Sistema Internacional és el weber (Wb), on:
Densitat de flux magnètic
La densitat de flux magnètic, representada per BBB, és una magnitud vectorial que descriu la intensitat del camp magnètic en cada punt de l' espai.
Es defineix com el flux magnètic per unitat d' àrea perpendicular al camp en condicions uniformes:
La seva unitat en el Sistema Internacional és el tesla (T), que equival a:
En el sistema CGS, s'utilitza el gauss (G), amb la relació:
Instruments per mesurar el flux magnètic
Existeixen diversos instruments per mesurar el camp o el flux magnètic, depenent de la precisió i l' aplicació:
Gaussímetres
Mesuren la densitat de flux magnètic en gauss (G). Són comuns en aplicacions industrials i en la caracterització d' imants.
Teslàmetres
Mesuren la densitat de flux magnètic en tesles (T). Són instruments més precisos, utilitzats en laboratoris i aplicacions científiques.
Magnetòmetres
Dispositius capaços de mesurar la intensitat i direcció del camp magnètic. S' utilitzen en geofísica, navegació i exploració espacial.
Sensors Hall
Dispositius basats en l' efecte Hall que permeten mesurar directament el camp magnètic en un punt. Són molt utilitzats en electrònica, motors elèctrics i sistemes de control.
Bobines de recerca (search coils)
Són bobines en les quals s' indueix un corrent proporcional a la variació del flux magnètic. S' utilitzen per mesurar canvis de flux en el temps.
Fluxímetres
Instruments dissenyats específicament per mesurar el flux magnètic directament a partir de la variació del camp en bobines de mesura.
Bobines de Helmholtz
No són instruments de mesura directes, sinó configuracions de bobines que generen camps magnètics uniformes i coneguts, útils per a calibratge i experiments.
Aplicacions que utilitzen el flux magnètic
El coneixement del flux magnètic és essencial en diverses aplicacions i camps de la ciència i la tecnologia. Algunes de les principals aplicacions on és important conèixer el flux magnètic són les següents:
-
Indústria elèctrica i generació d' energia: En la indústria elèctrica s' utilitza en generadors i transformadors per a la producció, transmissió i distribució d' energia elèctrica.
-
Electrònica i tecnologia de semiconductors: alguns dispositius com sensors magnètics, microxips, discos durs i altres components utilitzen camps magnètics per al seu funcionament.
-
Medicina: En medicina, s'utilitzen imatges de ressonància magnètica (IRM) per obtenir informació detallada sobre teixits i òrgans del cos humà. La ressonància magnètica es basa en la manipulació i detecció del flux magnètic generat pels àtoms d' hidrogen en el cos.
-
Geofísica i navegació: En geofísica, l' estudi del camp magnètic terrestre ajuda a entendre l' estructura interna del planeta. A més, en la navegació, les brúixoles utilitzen el flux magnètic per determinar la direcció.
-
Control i estabilització de sistemes: En algunes aplicacions, com l' estabilització de sistemes de control, és important conèixer i compensar els efectes dels camps magnètics per evitar interferències o efectes indesitjats.
-
Indústria metal·lúrgica i de materials: el coneixement del flux magnètic és útil en proves de qualitat, inspecció de materials ferromagnètics i control de processos de fabricació.
-
Transport i levitació magnètica: En aplicacions de transport, com trens de levitació magnètica (Maglev), aquesta propietat física s'utilitza per a la propulsió i el control del vehicle sense contacte físic amb les vies a través d'electroimans.
Exemples del flux magnètic en la vida real
El flux magnètic és present en nombrosos fenòmens i dispositius quotidians, encara que moltes vegades no es percebi directament. La seva variació és la base de gran part de la tecnologia elèctrica moderna.
Generadors elèctrics
En un generador, una bobina o un imant gira dins d' un camp magnètic. Aquest moviment fa que el flux magnètic que travessa la bobina canviï amb el temps. Aquesta variació del flux és el que indueix un corrent elèctric, segons la llei de Faraday. Així es produeix gran part de l'electricitat que consumim.
Generació d' electricitat en centrals nuclears
A les centrals nuclears, l'energia alliberada per la fissió de l'urani no es transforma directament en electricitat. En primer lloc, aquesta energia s'utilitza per escalfar aigua i produir vapor a alta pressió.
Aquest vapor mou una turbina, que al seu torn fa girar un generador elèctric. És precisament en aquest generador on apareix el flux magnètic: en girar una bobina dins d'un camp magnètic (o un imant al voltant de bobines), el flux magnètic que travessa les espires canvia contínuament.
Aquesta variació del flux magnètic indueix un corrent elèctric a les bobines del generador, segons la llei de Faraday. D'aquesta manera, l'energia nuclear acaba convertint-se en energia elèctrica a través d'un procés intermedi basat en l'electromagnetisme.
Transformadors
Els transformadors funcionen gràcies al flux magnètic variable en un nucli ferromagnètic. Quan un corrent altern circula per la bobina primària, genera un flux magnètic canviant que es transmet a la bobina secundària, induint un voltatge. Això permet elevar o reduir la tensió elèctrica a la xarxa de distribució.
Motors elèctrics
En els motors elèctrics, la interacció entre el camp magnètic de l' estator i el flux magnètic generat en el rotor produeix un parell de forces que provoca el moviment. El control del flux magnètic és clau per a l' eficiència i el rendiment del motor.
Ressonància magnètica (RM)
En medicina, la ressonància magnètica utilitza potents camps magnètics per alinear els protons del cos humà. Tot i que aquí el concepte se centra més en el camp magnètic que en el flux en si, les variacions controlades del camp permeten obtenir imatges detallades de teixits interns.
Brúixoles i camp magnètic terrestre
La Terra actua com un gran imant. El flux magnètic associat al camp terrestre permet que les brúixoles s' orientin indicant el nord magnètic. Tot i que en aquest cas no hi ha un dispositiu que "generi" el flux, sí que és un exemple clar de com un camp magnètic travessa superfícies i afecta objectes.
Discos durs i sensors magnètics
En dispositius d' emmagatzematge magnètic, la informació es guarda mitjançant l' orientació de petits dominis magnètics. El flux magnètic juga un paper essencial en l' escriptura i lectura de dades. De forma similar, sensors com l'efecte Hall detecten variacions del camp per mesurar posició, velocitat o proximitat.