Fluxul magnetic este cantitatea de câmp magnetic care pătrunde într-o zonă în unghi drept față de aceasta. Într-o situație simplă în care câmpul trece în unghi drept printr-o suprafață plană, această mărime este puterea câmpului magnetic înmulțită cu aria suprafeței. În majoritatea situațiilor din viața reală, totuși, alți factori trebuie luați în considerare. Fluxul magnetic este un concept important în multe domenii ale științei, cu aplicații legate de motoare electrice, generatoare și studiul câmpului magnetic al Pământului. Este reprezentat în fizică de litera greacă phi, φ.
Legea lui Gauss
Un magnet de bară are doi poli, numiți nord și sud datorită modului în care reacţionează la câmpul magnetic al Pământului, care este aliniat aproximativ nord-sud. Este o convenție științifică conform căreia liniile de forță magnetică curg de la nord la sud. Dacă o persoană ia suprafața dreptunghiulară bidimensională de la capătul nordic al unui magnet de bară, are un flux magnetic, la fel ca suprafața de la polul sud. Magnetul în ansamblu, însă, nu are flux, deoarece capetele nord și sud au putere egală și câmpul „curge” de la polul nord în polul sud, formând o buclă închisă.
Legea lui Gauss pentru magnetism afirmă că, pentru o suprafață închisă, cum ar fi o sferă, un cub sau un magnet, fluxul magnetic este întotdeauna zero. Este un alt mod de a spune că un obiect, oricât de mic, cu pol nord trebuie să aibă întotdeauna un pol sudic de forță egală și invers. Tot ceea ce are un câmp magnetic este un dipol, adică are doi poli. Unii oameni de știință au speculat că pot exista monopoli magnetici, dar niciunul nu a fost detectat vreodată. Dacă vor fi găsite, legea lui Gauss ar trebui schimbată.
Legea lui Faraday
Legea lui Faraday afirmă că o modificare a fluxului magnetic va crea o tensiune sau o forță electromotoare (EMF), într-o bobină de sârmă. Simpla mutare a unui magnet lângă o bobină de sârmă va realiza acest lucru, la fel ca și o schimbare a puterii câmpului magnetic. Tensiunea produsă poate fi determinată din viteza de schimbare a fluxului magnetic și numărul de spire din bobină.
Acesta este principiul din spatele generatoarelor de electricitate, unde mișcarea este creată, de exemplu, de apă curentă, vânt sau un motor alimentat cu combustibili fosili. Magneții și bobinele de sârmă transformă această mișcare în energie electrică, în conformitate cu Legea lui Faraday. Motoarele electrice demonstrează aceeași idee în sens invers: un curent electric alternativ în bobine de sârmă interacționează cu magneții pentru a produce mișcare.
Materiale magnetice
Materialele variază în reacțiile lor la câmpurile magnetice. Substanțele feromagnetice produc un câmp magnetic mai puternic, iar acest câmp poate persista atunci când câmpul extern este îndepărtat, lăsând un magnet permanent. Fierul este cel mai cunoscut element de acest tip, dar alte elemente metalice, precum cobaltul, nichelul, gadoliniul și disproziul, demonstrează și ele acest efect. Magneții foarte puternici pot fi fabricați din aliaje ale metalelor pământurilor rare, neodim și samariu.
Materialele paramagnetice produc un câmp magnetic ca răspuns la unul extern, producând o atracție relativ slabă care nu este persistentă. Cuprul și aluminiul sunt exemple. Un alt exemplu este oxigenul; în acest caz, efectul este cel mai bine demonstrat cu elementul în formă lichidă.
Substanțele diamagnetice creează un câmp magnetic care se opune unui câmp extern, producând repulsie. Toate substanțele arată acest efect, dar în mod normal este foarte slab și întotdeauna mai slab decât feromagnetismul sau paramagnetismul. În câteva cazuri, cum ar fi o formă de carbon numită grafit pirolitic, efectul este suficient de puternic pentru a permite unei mici bucăți de material de acest tip să plutească în aer chiar deasupra unui aranjament de magneți puternici.
Calculul și măsurarea fluxului
Calcularea fluxului pentru o suprafață plană în unghi drept față de direcția unui câmp magnetic este simplă. Adesea, totuși, este necesar să se calculeze cantitatea pentru o bobină de sârmă, cunoscută și sub numele de solenoid. Presupunând că câmpul este perpendicular pe fir, fluxul total este puterea câmpului magnetic înmulțită cu aria prin care trece înmulțită cu numărul de spire din bobină. Acolo unde câmpul nu este în unghi drept cu suprafața, trebuie luat în considerare unghiul format de liniile câmpului magnetic față de perpendiculară, iar produsul se înmulțește cu cosinusul acestui unghi.
Un instrument numit fluxmetru este folosit pentru a măsura cantitatea câmpului. Se bazează pe faptul că un câmp magnetic va crea un curent electric într-un fir dacă cele două se mișcă unul față de celălalt. Acest curent poate fi măsurat pentru a determina fluxul.
Fluxul magnetic în geologie
Măsurarea fluxului magnetic în diferite puncte de pe suprafața Pământului le permite oamenilor de știință să monitorizeze câmpul magnetic al planetei. Acest câmp, despre care se crede că este generat de curenții electrici din miezul de fier al Pământului, nu este static, ci se schimbă în timp. Polii magnetici s-au inversat, de fapt, de multe ori în trecut și probabil o vor face din nou în viitor. Efectele unei inversări ale polilor pot fi grave, deoarece în timpul schimbării, puterea câmpului ar fi redusă pe o mare parte a planetei. Câmpul magnetic al Pământului protejează viața de pe planetă de vântul solar, un flux de particule încărcate electric de la Soare, care ar fi dăunătoare.
Unități de măsură
Puterea unui câmp magnetic, sau densitatea fluxului magnetic, este măsurată în Teslas, o unitate numită după inginerul electric Nikola Tesla. Fluxul este măsurat în Webers, numit după fizicianul Wilhelm Eduard Weber. Un Weber este 1 Tesla înmulțit cu 1 metru pătrat, iar un Tesla este 1 Weber pe metru pătrat.