Quais são as propriedades dos ímãs? Os ímãs são objetos extraordinários. Eles podem empurrar ou puxar outras coisas sem realmente tocá-las! As pessoas souberam sobreímãspor milhares de anos. Na Grécia antiga, as pessoas encontraram rochas notáveis chamadas magnetitas que agiam como ímãs. As rochas poderiam girar para apontar para o norte e para o sul, alinhando-se com o campo magnético da Terra.
Hoje, os ímãs são usados em muitas coisas que usamos todos os dias. Ainda há muito mais para descobrir sobre quais são as propriedades dos ímãs e como podemos utilizá-los.
Materiais Magnéticos
Todas as coisas no mundo mostram algum tipo de magnetismo. Mas a força do magnetismo é muito diferente entre as coisas. Com base nas propriedades dos ímãs, temos cinco grandes grupos: ferromagnéticos, paramagnéticos, diamagnéticos, ferrimagnéticos e antiferromagnéticos.
Coisas ferromagnéticas como ferro, cobalto e níquel apresentam o magnetismo mais forte. A sua pequena estrutura pode explicar a sua forte atração pelos campos magnéticos. Os átomos em coisas ferromagnéticas têm elétrons incomparáveis que apontam na mesma direção dentro de áreas chamadas domínios magnéticos. Apontar na mesma direção aumenta o campo magnético e forma um ímã permanente.
Coisas paramagnéticas como alumínio e platina também são atraídas por campos magnéticos, mas a força é muito mais fraca do que em coisas ferromagnéticas. Os elétrons incompatíveis nos átomos paramagnéticos apontam na direção de um campo aplicado, mas não mantêm nenhuma magnetização quando o campo é removido.
Coisas diamagnéticas como cobre e ouro mostram um fraco afastamento dos campos magnéticos. Quando colocados em um campo externo, seus átomos criam um campo magnético induzido na direção oposta. No entanto, eles não têm dipolos atômicos permanentes.
Coisas ferrimagnéticas mostram uma ordenação magnética complexa, onde os elétrons incompatíveis dos átomos em redes diferentes se opõem, como nos antiferromagnetos. Mas os ferrimagnetos mantêm uma magnetização permanente, uma vez que os elétrons opostos incompatíveis são desiguais. Ferritas como a magnetita são coisas ferromagnéticas cotidianas.
Tabela 1: Materiais Magnéticos
Material | Magnetismo | Exemplos |
Ferromagnético | Atração muito forte por campos magnéticos | Ferro, cobalto, níquel |
Paramagnético | Fraca atração por campos magnéticos | Alumínio, platina |
Diamagnético | Repulsão fraca de campos magnéticos | Cobre, ouro |
Ferrimagnético | Alinhamento complexo, magnetização permanente | Magnetita, ferritas |
Antiferromagnético | Alinhamento completo, sem magnetização líquida | Cromo, manganês |
Domínios Magnéticos
Todos os materiais ferromagnéticos possuem minúsculos ímãs dentro deles, chamados dipolos atômicos. Esses minúsculos ímãs geralmente apontam em direções aleatórias, então eles se anulam. Isso significa que o material não possui magnetismo geral quando deixado sozinho. Mas quando o material fica magnetizado, os pequenos ímãs internos se alinham!
A magnetização acontece quando grupos de átomos chamados domínios magnéticos fazem com que seus minúsculos ímãs apontem na mesma direção. Os minúsculos ímãs apontam juntos dentro de cada domínio porque estão fortemente conectados. Mas diferentes domínios apontarão em direções aleatórias antes que a magnetização aconteça.
Forças externas, como campos magnéticos, podem fazer com que os domínios cresçam e alinhem seus minúsculos ímãs. Isso cria um ímã permanente. O aquecimento de um material também fornece energia para que os minúsculos ímãs se movam. Isso permite que os domínios alinhem seus minúsculos ímãs.
Outras coisas que afetam a organização dos domínios de minúsculos ímãs incluem tensão, limites de grãos, impurezas e campos de desmagnetização. A força de um ímã depende de quantos domínios alinham seus minúsculos ímãs e de quão bem eles resistem às forças externas que tentam bagunçá-los.
Campos magnéticos
Os ímãs criam áreas invisíveis ao seu redor chamadas campos magnéticos. O fluxo magnético é o espaço ao redor de um ímã onde você pode sentir sua força. Para ver o fluxo magnético, desenhamos linhas de campo magnético. Mais linhas significam um campo magnético mais forte. As linhas saem do pólo norte do ímã e fazem uma curva em direção ao seu pólo sul.
Os campos magnéticos acontecem quando pequenas cargas elétricas se movem. Dentro dos átomos, os elétrons giram e giram em órbitas. Cada átomo é um pequeno ímã com seus próprios pólos norte e sul. Em materiais magnéticos, os minúsculos ímãs nos domínios se alinham. Isso combina todos os seus campos magnéticos para formar um grande campo magnético apontando para um lado. É assim que os ímãs permanentes obtêm campos magnéticos tão fortes.
O campo magnético invisível é mais forte e mais próximo do ímã. Fica mais fraco à medida que você se afasta. Ímãs menores têm campos magnéticos menores e mais fracos. Ímãs maiores têm campos magnéticos maiores e mais fortes.
Pólos Magnéticos
Os ímãs têm pólos norte e sul. Estas são áreas onde a força magnética é mais forte. Pólos opostos se atraem. Os pólos norte e sul permanecem juntos. Os mesmos pólos se afastam um do outro. Dois pólos norte ou dois pólos sul repelem-se e afastam-se.
Isso acontece devido à forma como as linhas invisíveis do campo magnético fluem. As linhas vão do pólo norte ao pólo sul dentro do ímã. No nível atômico, cada minúsculo ímã interno possui linhas de campo magnético fluindo de norte a sul. Num íman, todos os pequenos ímanes alinham os seus campos magnéticos.
Imãs permanentes
Embora alguns materiais como o ferro sejam naturalmente magnéticos, os ímãs permanentes são frequentemente produzidos artificialmente por magnetização. Ferro, níquel, cobalto ou ligas geralmente são os melhores ímãs permanentes.
A magnetização envolve a exposição do material a um forte campo magnético externo de um eletroímã ou outro ímã permanente. Isso faz com que os domínios magnéticos cresçam e se alinhem com o campo externo, produzindo um forte ímã permanente. Os ímãs duros resistem à desmagnetização, enquanto os ímãs macios perdem o magnetismo com mais facilidade.
A força de um ímã permanente está correlacionada com sua coercividade, a intensidade do campo necessária para desmagnetizá-lo. Materiais altamente coercitivos podem produzir ímãs permanentes poderosos, mas são mais difíceis de magnetizar inicialmente. A densidade máxima do fluxo magnético ou magnetização de saturação e magnetização remanescente também afetam a força do ímã.
Eletroímãs
Além dos ímãs permanentes, os eletroímãs utilizam correntes elétricas para induzir magnetismo temporário. Quando uma corrente elétrica passa por um fio enrolado, ela gera um campo magnético paralelo ao eixo da bobina. A intensidade do campo aumenta com mais loops e corrente mais alta.
O material dentro da bobina também é importante. O ferro macio torna o campo magnético mais forte. O ferro pode fazer um eletroímã levantar 100 vezes mais. Mas o ferro também diminui a rapidez com que o ímã reage.
Os eletroímãs precisam de energia para permanecerem magnéticos. Os ímãs permanentes não. Mas os eletroímãs podem ligar e desligar rapidamente. Seu poder também pode mudar instantaneamente. Isso os torna adequados para levantar ferro pesado e exames de ressonância magnética que precisam de campos magnéticos variáveis.
Força Magnética e Momento Magnético
O quão magnético algo é depende de quanto magnetismo acontece perto de um campo magnético. O quão bem ele se alinha com o campo magnético é chamado de momento magnético. Isso depende dos minúsculos blocos de construção do material, chamados átomos, principalmente elétrons que estão sozinhos e não em pares. Eles agem como pequenos ímãs.
Um ímã forte pode conter muita energia magnética fluindo através dele. Isso é chamado de magnetização de saturação. Um ímã forte mantém mais magnetismo quando o campo externo desaparece. Isso é chamado de remanência. O magnetismo vem dos elétrons girando e orbitando. Portanto, pequenas regras da física quântica controlam a força magnética.
Propriedades magneticas
Várias propriedades fundamentais dos ímãs ajudam a caracterizar o desempenho magnético:
● Magnetização de Saturação: A máxima densidade de fluxo magnético possível que um material pode gerar em um campo aplicado. Medido em Teslas.
● Remanência: A magnetização restante quando o campo condutor é removido. Quanto magnetismo resta?
● Coercitivamente: A intensidade do campo magnético reverso necessária para desmagnetizar o material de volta a zero. Resiste à desmagnetização.
● Permeabilidade: Capacidade de suportar a formação de um campo magnético dentro de si. A alta permeabilidade concentra o fluxo magnético.
● Histerese: Tendência a reter um magnetismo imposto. Materiais com histerese significativa produzem ímãs permanentes eficazes.
A otimização dessas propriedades dos ímãs é essencial na seleção do material magnético adequado para uma determinada aplicação, seja para atingir a maior intensidade de campo permanente ou maximizar as mudanças de fluxo reversíveis.
Histerese Magnética
Os ímãs podem agir de maneiras emocionantes! Os ímãs exibem um fenômeno chamado histerese. Sua magnetização segue um caminho diferente cada vez que você alterna o campo magnético externo. O caminho preciso depende da história anterior de magnetização do ímã.
Você pode ver isso ao representar graficamente como a densidade do fluxo magnético B muda à medida que o campo magnético aplicado H muda. Este gráfico cria um loop chamado loop de histerese.
No início, as pequenas regiões magnéticas no ímã chamadas domínios se alinham lentamente à medida que você aumenta H. Uma vez que todas estão alinhadas, aumentos adicionais em H não alteram mais B. Então, quando você reduz H, B segue uma curva diferente. Quando H é zero, alguma magnetização permanece nos domínios alinhados. Você precisa aplicar um campo magnético na direção oposta para trazer a magnetização de volta a zero.
A área dentro do loop de histerese mostra a perda de energia à medida que os domínios mudam a cada ciclo. Os ímãs rígidos têm loops largos e perdas significativas de energia. O formato do laço também informa sobre as propriedades do ímã, como quão bem ele permanece magnetizado e quão difícil é desmagnetizar.
Efeitos da temperatura
A energia térmica pode afetar o comportamento dos ímãs! À medida que a temperatura aumenta, as minúsculas regiões magnéticas alinhadas em um ímã, chamadas domínios, são agitadas pela energia térmica. Isso faz com que a magnetização diminua. A uma temperatura Curie elevada, a energia térmica altera a ordem magnética e o magnetismo permanente desaparece completamente.
A facilidade com que um ímã perde sua magnetização depende da temperatura Curie. A temperatura Curie mais alta de qualquer elemento puro é o ferro, a 1043 K. Adicionar substâncias como níquel e cobalto para fazer ligas aumenta o ponto Curie. Os ímãs permanentes resistentes ao calor permitem usar ímãs em aplicações como geradores e motores.
O resfriamento dos ímãs abaixo do ponto Curie faz com que a magnetização aumente novamente. Os eletroímãs supercondutores funcionam apenas em temperaturas frias, onde a resistência elétrica desaparece para formar campos magnéticos poderosos e duradouros.
Tabela 2: Efeitos da Temperatura no Magnetismo
Efeito de temperatura | Descrição |
Curie Temperatura | Acima desta temperatura, o magnetismo permanente é perdido |
Agitação Térmica | Pode perturbar o alinhamento dos domínios magnéticos |
Resfriamento abaixo do ponto Curie | Aumenta a magnetização à medida que o movimento térmico diminui |
Temperaturas Criogênicas | Habilite eletroímãs supercondutores com campos persistentes e de alta resistência |
Aplicações Magnéticas
Os ímãs são uma ferramenta versátil encontrada em todo o cenário industrial em aplicações como:
● Motores - Os motores elétricos giratórios dependem de ímãs que convertem entre energia mecânica e elétrica através de indução eletromagnética. Pequenos motores conduzem dispositivos, desde ventiladores até discos rígidos.
● Geradores - Geradores de turbina produzem eletricidade girando ímãs próximos a bobinas de fios, induzindo fluxo de corrente.
● Armazenamento magnético - As unidades de disco rígido gravam dados invertendo a magnetização de pequenos domínios em um disco ferromagnético.
● Levitação - Os trens Maglev usam ímãs para flutuar acima dos trilhos, eliminando o atrito para uma viagem silenciosa e suave.
● Dispositivos médicos - Os aparelhos de ressonância magnética empregam fortes ímãs supercondutores para detectar alterações no campo magnético do corpo para diagnóstico por imagem.
● Pesquisa - Os espectrômetros de massa dobram partículas carregadas com campos magnéticos para determinar sua massa e estrutura química.
● Energia renovável - Os rolamentos magnéticos estabilizam os volantes, armazenando energia cinética colhida de fontes eólicas ou solares.
Levitação magnética
A levitação magnética, ou maglev, usa ímãs para fazer as coisas flutuarem! Os ímãs se afastam uns dos outros. Mas configurações magnéticas exclusivas podem tornar a flutuação estável.
Trens maglev rápidos já circulam na Ásia e na Europa. Flutuar acima dos trilhos significa que não há atrito nas rodas, de modo que os trens maglev podem ultrapassar 600 km/h! Sem rodas ou rolamentos, eles são mais silenciosos e suaves para acelerar e parar. Eles também usam menos energia que os trens normais.
Maglev é válido para mais do que apenas trens! Poderia ajudar a lançar naves espaciais, fabricar aceleradores de partículas, criar rolamentos sem atrito e interromper a vibração em edifícios. Os engenheiros ainda estão melhorando ímãs superfortes. Isso pode permitir que trens maglev conectem cidades inteiras no futuro.
Adicionar mais sobre como funciona o maglev, usos no mundo real e possibilidades futuras explica de forma simples esse conceito avançado. Jovens estudantes podem compreender trens flutuantes por meio de forças magnéticas sem atrito e imaginar outras aplicações dessa tecnologia interessante.
Conclusão
Desde minúsculos ímãs de geladeira até ímãs de quilômetros de extensão que alimentam reatores de fusão, os ímãs são inestimáveis em nossa vida cotidiana. A compreensão das propriedades únicas dos ímãs continua a estimular descobertas que levam a novas aplicações. Áreas de ponta como a spintrônica e os monopolos magnéticos oferecem possibilidades para a eletrônica de próxima geração e até mesmo para computadores quânticos.
Com muito ainda a compreender sobre os fundamentos quânticos do magnetismo, a investigação revelará ainda mais o seu tremendo potencial. Ainda há muito mais para descobrir sobre o que as propriedades dos ímanes nos podem permitir alcançar.
Perguntas frequentes sobre propriedades de ímãs
Quais são as unidades de intensidade do campo magnético?
A intensidade do campo magnético é quantificada em amperes por metro (A/m) ou teslas (T). Um tesla equivale a um newton por amperímetro. A intensidade do campo magnético da Terra é de cerca de 0,5 gauss ou 50 microteslas.
Como você calcula o fluxo magnético?
O fluxo magnético através de uma superfície é calculado multiplicando a intensidade do campo magnético, a área perpendicular e o cosseno do ângulo.
Que materiais são usados em ímãs supercondutores?
Os ímãs supercondutores normalmente usam supercondutores como bobinas de nióbio-titânio ou nióbio-estanho resfriadas por hélio líquido. Os supercondutores de alta temperatura mais recentes permitem necessidades de resfriamento menos extremas para altas intensidades de campo.
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