Como a temperatura afeta os ímãs?

Ímãsgeram campos de força invisíveis que atraem metais, incluindo ferro, níquel e cobalto. O calor afeta o funcionamento dos ímãs. Quando fica mais quente, os ímãs ficam mais fracos. Em temperaturas muito altas, eles deixam de ser magnéticos. Compreender a influência da temperatura é importante.

Saber como o calor afeta os ímãs nos permite projetar dispositivos e sistemas que funcionam de maneira confiável em diversas temperaturas operacionais.

Este artigo irá prfornecer uma visão geral do magnetismo e explicar como a temperatura influencia ímãs permanentes e eletroímãs. Também discutiremos a temperatura Curie e aplicações onde os efeitos da temperatura nos ímãs são um fator essencial no projeto.

O que faz os ímãs funcionarem?

Os ímãs funcionam por causa de pequenas partículas internas chamadas elétrons. Os elétrons agem como pequenos ímãs giratórios. Na maioria das coisas, os elétrons giram aleatoriamente em todas as direções. Mas em materiais magnéticos, os spins dos elétrons se alinham.

Os spins alinhados formam um campo magnético geral com duas extremidades – os pólos norte e sul. Pólos opostos se atraem, como o norte e o sul. Mas os mesmos pólos se repelem por dois nortes.

A força de um ímã depende de sua composição. Alguns materiais mantêm seus spins de elétrons alinhados melhor do que outros. Essa capacidade de resistir à confusão dos giros é chamada de retentividade. Maior retentividade torna o ímã mais forte. O alinhamento perfeito de zilhões de elétrons girando juntos permite que os ímãs grudem nos metais!

Ímãs Permanentes vs. Eletroímãs

Existem dois tipos de ímãs, incluindo permanentes e eletromagnéticos. Os ímãs permanentes mantêm seu magnetismo. Eles são feitos de ferro, níquel, cobalto e metais raros. Os spins atômicos nesses materiais se alinham espontaneamente.

Os eletroímãs são feitos passando uma corrente elétrica através de uma bobina de fio em torno de um núcleo de ferro. O campo magnético é criado pela corrente no fio. Quando a corrente para, um eletroímã perde seu magnetismo. 

Ímãs permanentes e eletroímãs são afetados de maneira diferente pela temperatura. Vejamos cada um:

Como a temperatura afeta os ímãs permanentes

Os ímãs permanentes funcionam apenas em uma faixa específica de temperatura. Se um ímã permanente for aquecido acima de uma temperatura específica, chamada ponto Curie, ele perderá seu magnetismo.

No ponto Curie, os pequenos giros dentro do material magnético começam a apontar em direções aleatórias em vez de se alinharem. Faz com que o ímã permanente deixe de ser magnético.

Temperaturas Curie de materiais magnéticos comuns

Aquecer um ímã permanente acima de um ponto Curie o torna completamente não magnético. Acima deste ponto, os spins atômicos que criam o magnetismo são interrompidos. Faz com que os ímãs permanentes de ferro, níquel ou cobalto percam todo o comportamento magnético.

Normalmente, esta desmagnetização completa não pode ser revertida em ímãs tradicionais. O ímã deve ser remagnetizado através da exposição a outro campo magnético forte.

No entanto, alguns ímãs de terras raras de neodímio ou samário-cobalto podem recuperar seu magnetismo após aquecerem além do ponto Curie. Mas o aquecimento e o resfriamento repetidos através do uso diário ainda podem reduzir lentamente o magnetismo, pouco a pouco, ao longo do tempo.

Sob a temperatura Curie, um ímã permanente perderá gradualmente força à medida que aquece. Mais calor dá ao átomo gira mais energia vibracional. Esta perturbação dos spins alinhados torna o campo magnético cada vez mais fraco.

Felizmente, esta perda gradual de magnetismo com o aumento da temperatura é reversível. Quando o ímã permanente esfria, os spins atômicos se realinham e a força magnética total retorna. Mesmo pequenas mudanças de temperatura de alguns graus podem alterar visivelmente a potência do campo magnético.

Em resumo, os ímãs permanentes funcionam melhor dentro de uma faixa de temperatura ideal limitada. Muito calor os desmagnetiza total ou parcialmente. Temperaturas mais baixas melhoram a força do campo magnético.

Os engenheiros consideram esses impactos térmicos ao projetar dispositivos que utilizam ímãs permanentes. O controle cuidadoso da temperatura garante que os ímãs operem com desempenho magnético máximo.

Como a temperatura afeta os eletroímãs

Os eletroímãs são diferentes dos ímãs permanentes. Seu magnetismo vem da eletricidade que se move através de uma bobina de fio. Mudar a eletricidade torna o campo magnético mais forte ou mais fraco.

O calor afeta os eletroímãs, tornando o fio mais difícil para a eletricidade fluir. Quando o fio fica mais quente, a eletricidade vibra mais dentro dele. Isso torna um desafio para a eletricidade se mover suavemente em uma direção.

Quando a eletricidade não flui tão facilmente, menos energia pode passar pelo fio. Portanto, um eletroímã fica mais fraco quando quente do que quando frio.

Mas as temperaturas médias quentes e frias não afetam muito os eletroímãs. O fluxo de eletricidade cai apenas um pouco, a menos que o fio superaqueça. O campo magnético fica um pouco mais fraco, não desaparece completamente.

Resfriar muito um eletroímã faz com que a eletricidade flua facilmente. Um exemplo é usar nitrogênio líquido, que tem -196 grau! Permite campos magnéticos fortes com menos eletricidade. Eletroímãs superlegais podem produzir campos 100,000 vezes o campo da Terra!

Em resumo, os eletroímãs enfraquecem quando quentes porque o fio resiste mais à eletricidade. Temperaturas muito baixas melhoram o fluxo de eletricidade e fortalecem o campo magnético. Mas o calor não remove o magnetismo de um eletroímã como nos ímãs permanentes.

Exemplos de efeitos de temperatura em ímãs

Para ver como a temperatura afeta os ímãs, vejamos alguns exemplos do mundo real:

● Os ímãs de geladeira usam ímãs permanentes feitos de ferrita ou neodímio. Eles ficam visivelmente mais fracos quando quentes, mas recuperam o magnetismo total quando resfriados novamente. Deixá-los aquecidos como um forno pode desmagnetizá-los lentamente com o tempo.

● Os aparelhos de ressonância magnética utilizam eletroímãs supercondutores muito potentes que são super-resfriados com hélio líquido. O resfriamento permite que eles criem campos magnéticos fortes de 3 Tesla, necessários para varreduras corporais detalhadas.

● Os grandes eletroímãs usados ​​para levantar carros em ferros-velhos são chamados de ímãs de guindaste. Eles levantam cargas pesadas usando força magnética. Em dias quentes, o ímã não consegue levantar seu peso máximo devido ao calor, enfraquecendo-o. O resfriamento da bobina do eletroímã permite o levantamento de objetos mais pesados.

● Pequenos ímãs de neodímio em motores pequenos perdem torque e ficam menos eficientes se o motor superaquecer. Altas temperaturas desmagnetizam os ímãs permanentes no rotor giratório. Enfraquece o campo magnético rotativo que faz o motor funcionar.

● As fitas magnéticas e os discos rígidos utilizam minúsculas partículas de ferro para armazenar dados. Muito calor confunde as partículas magnéticas, apagando os dados. Portanto, o armazenamento magnético tem uma temperatura máxima na qual pode funcionar antes que os dados sejam perdidos.

Estes exemplos demonstram como o controle e o gerenciamento da temperatura são vitais ao trabalhar com ímãs. Os ímãs permanentes requerem resfriamento para preservar as propriedades magnéticas. Ao mesmo tempo, os eletroímãs devem evitar o superaquecimento, aumentar a resistência do fio e reduzir a intensidade do campo.

Efeito das baixas temperaturas nos ímãs

Vimos que altas temperaturas diminuem a força do ímã. E quanto às temperaturas congelantes?

Como mencionado anteriormente, a redução da energia térmica ajuda a estabilizar o alinhamento dos spins atômicos em ímãs permanentes. Assim, os ímãs permanentes tornam-se ainda mais fortes em temperaturas criogênicas.

Resfriar ímãs de neodímio com nitrogênio líquido até -196 grau pode aumentar a força de tração em 2-5x em comparação com a temperatura ambiente. Este estado hipermagnetizado permite novas aplicações, como trens maglev.

Os eletroímãs também se beneficiam de baixas temperaturas devido à resistência elétrica zero dos fios (supercondutividade). Isso resulta em enormes campos magnéticos de pequenas bobinas.

Os eletroímãs de ressonância magnética e de pesquisa científica são resfriados por hélio líquido para aproveitar o potencial de supercondutores como o nióbio-estanho. A operação em baixa temperatura permite a geração mais fácil de campos magnéticos de alta resistência.

Assim, enquanto o calor enfraquece os ímanes, as temperaturas frias aumentam o desempenho dos ímanes. Tanto os ímãs permanentes quanto os eletroímãs podem ser aprimorados reduzindo o movimento térmico em nível molecular.

Como a temperatura afeta a estrutura dos ímãs?

Os minúsculos blocos de construção que constituem os materiais magnéticos mudam quando aquecidos ou resfriados. Isso afeta o quão magnéticos eles são. Vamos examinar como a temperatura muda a rede cristalina e os domínios magnéticos dos tipos de ímã.

Os ímãs permanentes possuem pequenas áreas chamadas domínios. Cada domínio é como um pequeno ímã com spins alinhados. Mas os domínios vizinhos apontam de forma aleatória. O aquecimento confunde a estrutura organizada do domínio, tornando o ímã mais fraco. O resfriamento alinha os domínios perfeitamente, fortalecendo o magnetismo total.

Diferentes materiais têm diferentes estruturas de rede cristalina. É o espaçamento e a ordem dos átomos. O ferro tem uma estrutura e o cobalto tem outra. O melhor alinhamento de domínio depende do espaçamento atômico e dos estados de energia específicos de cada rede cristalina.

Eletroímãs são fios enrolados em voltas, em vez de material sólido. Mas eles geralmente têm núcleos cristalinos de ferro ou aço. O aquecimento faz os átomos vibrarem e se espalharem. Ele perturba o alinhamento do domínio no núcleo, reduzindo o magnetismo. Manter os eletroímãs frios mantém uma boa estrutura de domínio.

No geral, o arranjo atômico invisível explica por que o magnetismo muda com a temperatura. O aquecimento perturba a pequena estrutura. O resfriamento traz ordem e estabilidade. Compreender essas propriedades em nanoescala é crucial para projetar ímãs para temperaturas altas ou baixas.

Escolhendo o material magnético certo

Os ímãs permanentes são feitos de ferro, níquel, cobalto e misturas extraordinárias de metais de terras raras. Os engenheiros escolhem o material com base na faixa de temperatura, resistência e necessidades de custo.

Os ímãs de Alnico contêm ferro, alumínio, níquel e cobalto. Eles trabalham até 600 graus, mas a intensidade do campo magnético é média, em torno de 0.5-1.3T.

Ímãs de cerâmica ou ferrite usam ferritas de bário e estrôncio. Eles são de baixo custo, mas têm pouca intensidade de campo abaixo de 0.4T.

Os ímãs de samário-cobalto podem produzir campos de alta resistência de até 1,1T e trabalhar até 350 graus, mas são caros.

Os ímãs de ferro-neodímio-boro têm o melhor desempenho geral. Eles têm campos potentes de até 1,4T e trabalham até 230 graus.

Propriedades magnéticas de ímãs permanentes comuns

Para eletroímãs, as bobinas de cobre maximizam a condutividade e podem ser resfriadas para aumentar o campo. Os núcleos de ferro concentram o campo magnético. O ferro revestido de níquel também resiste à corrosão.

Neodímio ou samário-cobalto funcionam melhor para os campos mais fortes, apesar do custo. A faixa de temperatura em que o ímã deve funcionar determina o melhor material.

Experimentos divertidos com ímãs

Você pode realizar experimentos científicos emocionantes em casa usando ímãs e vários materiais.

Ímãs resfriados:

Você pode ver como as baixas temperaturas tornam os ímãs mais fortes com um experimento divertido. Pegue um imã de geladeira e cole-o na geladeira. Deixe o ímã na geladeira por algumas horas. Em seguida, use-o para pegar clipes de papel ou outros metais magnéticos.

O ímã parece estar puxando com mais força os objetos de metal quando está frio? A temperatura mais baixa na geladeira torna o ímã mais poderoso temporariamente. Mas este aumento na força magnética não durará para sempre.

Depois que o ímã atingir a temperatura ambiente fora da geladeira, seu magnetismo retornará ao normal. É legal como alguns graus de mudança de temperatura podem impactar o campo magnético invisível!

Ímãs assados:

Aqui está um experimento para mostrar que o calor torna os ímãs mais fracos. Pegue alguns ímãs e leve ao forno em temperatura baixa de 150 graus F (65 graus) por 10-20 minutos. Após o cozimento, remova os ímãs e teste a força de tração.

Experimente pegar clipes de papel ou pregos pequenos. Você deve notar que o calor tornou os ímãs menos fortes. O cozimento reduziu sua atração magnética no forno quente. Isso mostra que mesmo o calor moderado pode perturbar os campos magnéticos invisíveis dos ímãs permanentes.

Atração Magnética:

Pegue dois ímãs fortes. Cole um ímã em uma bolsa de gelo para que fique bem frio. Cole o outro ímã em um pacote mais quente, para que fique bem quente. Agora, tente aproximar lentamente os dois ímãs.

Preste atenção na força com que os pólos opostos se atraem e se unem. Você notará que é muito mais difícil para o ímã quente atrair o ímã frio.

O ímã frio ainda possui forte magnetismo, mas o calor enfraquece o magnetismo do ímã quente. Isso demonstra que temperaturas mais altas reduzem as forças magnéticas invisíveis entre os ímãs. Muito arrumado!

Ímãs derretidos:

Com a ajuda de um adulto, você pode mostrar como os ímãs perdem o magnetismo quando aquecidos demais. Use placas quentes ou fornos com cuidado para aquecer um ímã além de 770 graus (1418 graus F). Isso é mais alto que a temperatura Curie, onde eles deixam de ser magnéticos.

Depois de aquecer tanto o ímã, ele não deve mais grudar em objetos de metal ou repelir outros ímãs!

Brincar com ímãs e altas temperaturas pode ser perigoso, então peça a um adulto para ajudar a supervisionar as coisas com segurança. Mas é interessante ver como a temperatura pode remover os poderes magnéticos invisíveis de um ímã. Tenha sempre muito cuidado e só realize experimentos com a supervisão adequada de um adulto.

Conclusão

A temperatura afeta fortemente os ímãs. Ímãs permanentes como ferro ou neodímio perdem todo o magnetismo acima do ponto Curie. A temperatura mais fria melhora a intensidade do campo.

Os eletroímãs enfraquecem gradualmente quando mais quentes devido à menor condutividade elétrica. Mas o frio impulsiona os eletroímãs supercondutores para campos muito elevados. O controle cuidadoso da temperatura é vital. Manter os ímãs permanentes longe do calor extremo preserva o magnetismo.

Os eletroímãs de resfriamento permitem campos magnéticos mais fortes. Aproveitar o calor e o frio desbloqueia novas aplicações magnéticas na ciência, medicina e engenharia.

Perguntas frequentes sobre como a temperatura afeta os ímãs

Como posso saber se um ímã foi afetado pela temperatura?

Teste a força do ímã medindo seu campo magnético ou capacidade de levantar um peso conhecido. Compare as especificações para determinar qualquer perda de magnetismo.

Qual é a temperatura Curie de um ímã?

A temperatura Curie é o limite onde um material perde suas propriedades magnéticas permanentes devido a efeitos térmicos.