Ímãs. Você os tem na geladeira, brincou com eles quando criança, até segurou uma bússola na mão quando a agulha apontou para o pólo norte magnético da Terra. Mas como eles funcionam? O que é esse fenômeno de magnetismo?
O que é magnetismo?
O magnetismo é um aspecto da força eletromagnética fundamental. Ele descreve fenômenos e forças associadas a ímãs ou objetos magnéticos.
Todos os campos magnéticos são gerados pelo movimento de carga ou pela mudança de campos elétricos. É por isso que os fenômenos da eletricidade e do magnetismo são chamados coletivamente de eletromagnetismo. Eles são realmente um e o mesmo!
Dentro de todos os materiais, os átomos contêm elétrons, e esses elétrons formam uma nuvem ao redor do núcleo atômico, com seu movimento geral criando um dipolo magnético em miniatura. Na maioria dos materiais, no entanto, a distribuição aleatória das orientações desses mini-ímãs faz com que os campos se cancelem. Os materiais ferromagnéticos são a exceção.
Muitos materiais exibem fenômenos magnéticos, incluindo ferro, manganês, magnetita e cobalto. Eles podem existir como ímãs permanentes ou podem ser paramagnéticos (ou seja, atraídos por materiais magnéticos, mas não retendo o magnetismo permanente eles próprios). Os eletroímãs são criados pela passagem de corrente elétrica por um fio enrolado em um material como o ferro (ou por qualquer situação em que haja carga elétrica em movimento).
Os materiais magnéticos podem se atrair ou se repelir, dependendo de quais partes desses materiais são reunidas.
Campos magnéticos
Assim como acontece com a força elétrica e a força gravitacional, objetos que exercem forças magnéticas uns sobre os outros geram um campo ao seu redor. Um ímã em barra, por exemplo, cria um campo magnético no espaço ao seu redor, fazendo com que quaisquer outros ímãs ou materiais ferromagnéticos trazidos para aquele campo sintam uma força como resultado.
Uma maneira de visualizar o campo magnético é usar limalha de ferro. Limalha de ferro são pequenos pedaços de ferro que, quando borrifados ao redor de um ímã, se alinham às linhas externas do campo magnético, permitindo sua visualização.
A unidade SI associada à intensidade do campo magnético é o tesla.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
Outra unidade comum associada à intensidade do campo magnético é o gauss.
1 Gauss = 1 G = 10-4 T
Tipos de magnetismo
Existem muitos tipos diferentes de magnetismo:
Paramagnetismodescreve certos materiais que podem ser fracamente atraídos por ímãs, mas que não retêm um campo magnético permanente. Na presença de um campo externo, eles formarão campos magnéticos internos induzidos que se alinham. Isso pode resultar na amplificação temporária do campo magnético geral. Existem muitos tipos diferentes de materiais paramagnéticos, incluindo até algumas pedras preciosas.
Diamagnetismoé uma propriedade exibida por todos os materiais, mas que normalmente é mais óbvia em materiais que consideramos não magnéticos. Os materiais diamagnéticos são fracamente repelidos por campos magnéticos. Em ímãs permanentes e materiais paramagnéticos, os efeitos do diamagnetismo são desprezíveis.
Eletromagnetismoocorre quando a corrente elétrica passa por um fio. Esse fio pode ser enrolado em uma barra de ferro para amplificar o efeito, pois o ferro criará seu próprio campo magnético que se alinha com o campo externo. Essa forma de magnetismo é resultado direto do fato de que o movimento dos elétrons cria um campo magnético. (Novamente, eletricidade e magnetismo são dois lados da mesma propriedade física fundamental!)
Ferromagnetismodescreve como certos materiais - chamados materiais ferromagnéticos - formam ímãs permanentes, que são discutidos em mais detalhes na próxima seção.
Materiais Ferromagnéticos
Os materiais fortemente atraídos por ímãs são chamados de ferromagnéticos. O ferro é o material mais comum desse tipo. (Não é surpreendente visto que o prefixo latinoferro- significa "ferro".)
Os materiais ferromagnéticos têm os chamados domínios magnéticos; isto é, regiões dentro deles que são como ímãs, mas orientadas em direções diferentes para que o efeito geral se cancele e geralmente não ajam como ímãs. Se, no entanto, esses materiais são colocados em um campo magnético, isso pode causar um alinhamento dos domínios, portanto que estão todos alinhados na mesma direção e, portanto, eles se tornam (muitas vezes temporariamente) como ímãs eles mesmos.
Os materiais ferromagnéticos incluem magnetita, ferro, níquel, cobalto e vários materiais de terras raras, incluindo neodímio.
Barras de ímãs, dipolos e propriedades magnéticas
Uma barra magnética é uma barra retangular ou cilíndrica de material magnético. As extremidades de uma barra magnética são os pólos norte e sul. Esses são os dois tipos de pólos magnéticos e eles interagem entre si por meio de uma força magnética de maneira semelhante à forma como as cargas positivas e negativas interagem por meio da força elétrica.
Os ímãs em barra são dipolos magnéticos. Eles têm pólos opostos separados por uma distância, semelhante a um dipolo elétrico. Uma diferença primária, entretanto, é que com ímãs, você não pode ter um monopolo (um pólo isolado) como você pode ter com cargas. Um ímã sempre existe como um dipolo e nunca como um pólo norte sozinho ou um pólo sul sozinho. (Se você cortar uma barra magnética ao meio para tentar separar os pólos, simplesmente acabará com dois ímãs dipolares menores!)
Campo Magnético da Terra
Como você provavelmente sabe, a Terra tem um campo magnético. Isso permite que as pessoas usem bússolas para determinar para qual direção estão olhando em relação aos postes. Uma bússola magnética consiste em um pequeno ímã que pode se mover livremente e se alinhar com qualquer campo externo. A extremidade vermelha da agulha da bússola aponta para o norte. O campo magnético da Terra atua como uma barra magnética gigante. Esta barra magnética imaginária é orientada de modo que a extremidade norte do ímã esteja no pólo sul da Terra e a extremidade sul do ímã esteja no pólo norte da Terra.
O campo magnético da Terra também não é paralelo à superfície da Terra na maioria dos lugares. Você pode determinar a declinação do campo magnético da Terra usando uma agulha de mergulho. Primeiro oriente a agulha horizontalmente e alinhe-a com o norte magnético da Terra. Em seguida, gire-o verticalmente e observe o ângulo de mergulho. O ângulo é maior quanto mais perto você estiver dos pólos.
O campo magnético da Terra cria uma região do espaço em torno do planeta chamada magnetosfera. A magnetosfera se parece essencialmente com o campo magnético de uma barra magnética muito grande alinhada perto do eixo da Terra, embora a magnetosfera possa deformar ao interagir com partículas carregadas.
A magnetosfera nos protege do vento solar, que contém partículas carregadas. As interações entre essas partículas e as linhas do campo magnético são o que dão origem às auroras.
Exemplos
O fenômeno do magnetismo é usado em todos os tipos de aplicações cotidianas.
O fenômeno do eletromagnetismo nos permite converter energia mecânica em energia elétrica em geradores elétricos. Geradores elétricos usam meios mecânicos para girar uma turbina (vento ou água corrente) que muda um campo magnético em relação às bobinas de fio, induzindo o fluxo de corrente.
Os motores elétricos são essencialmente o oposto dos geradores elétricos, usando eletromagnetismo para converter energia elétrica em energia mecânica, seja para operar uma furadeira, um misturador ou um elétrico veículo.
Os eletroímãs industriais são ímãs gigantes com campos magnéticos muito fortes que permitem que eles colham veículos antigos no ferro-velho.
As máquinas de ressonância magnética utilizam campos magnéticos fortes para criar imagens de seu interior e permitir que os médicos diagnostiquem uma série de condições médicas.
