Do que são feitos os ímãs?

Os ímãs parecem misteriosos. Forças invisíveis unem os materiais magnéticos ou, com o toque de um ímã, os separam. Quanto mais fortes forem os ímãs, mais forte será a atração ou repulsão. E, claro, a própria Terra é um ímã. Embora alguns ímãs sejam feitos de aço, existem outros tipos de ímãs.

TL; DR (muito longo; Não li)

A magnetita é um mineral magnético natural. O núcleo giratório da Terra gera um campo magnético. Os ímãs de Alnico são feitos de alumínio, níquel e cobalto com pequenas quantidades de alumínio, cobre e titânio. Os ímãs de cerâmica ou ferrite são feitos de óxido de bário ou óxido de estrôncio com liga de óxido de ferro. Dois ímãs de terras raras são samário cobalto, que contém uma liga de samário-cobalto com oligoelementos (ferro, cobre, zircão) e ímãs de neodímio ferro boro.

Qualquer objeto que produz um campo magnético e interage com outros campos magnéticos é um ímã. Os ímãs têm uma extremidade ou pólo positivo e uma extremidade ou pólo negativo. As linhas do campo magnético se movem do pólo positivo (também chamado de pólo norte) para o pólo negativo (sul). O magnetismo se refere à interação entre dois ímãs. Os opostos se atraem, de modo que o pólo positivo de um ímã e o pólo negativo de outro ímã se atraem.

Existem três tipos gerais de ímãs: ímãs permanentes, ímãs temporários e eletroímãs. Os ímãs permanentes retêm sua qualidade magnética por longos períodos de tempo. Os ímãs temporários perdem seu magnetismo rapidamente. Eletroímãs usam corrente elétrica para gerar um campo magnético.

Os ímãs permanentes mantêm suas propriedades magnéticas por longos períodos de tempo. As mudanças nos ímãs permanentes dependem da força do ímã e da composição do ímã. As mudanças geralmente acontecem devido a mudanças na temperatura (geralmente temperatura crescente). Os ímãs aquecidos à temperatura de Curie perdem permanentemente sua propriedade magnética porque os átomos mudam da configuração que causa o efeito magnético. A temperatura Curie, batizada em homenagem ao descobridor Pierre Curie, varia de acordo com o material magnético.

A magnetita, um ímã permanente que ocorre naturalmente, é um ímã fraco. Os ímãs permanentes mais fortes são Alnico, neodímio, ferro, boro, samário-cobalto e ímãs de cerâmica ou ferrite. Todos esses ímãs atendem aos requisitos da definição de ímã permanente.

Magnetita

A magnetita, também chamada de magnetita, fornecia agulhas de bússola de exploradores que iam de caçadores de jade chineses a viajantes mundiais. A magnetita mineral se forma quando o ferro é aquecido em uma atmosfera de baixo oxigênio, resultando no composto de óxido de ferro Fe₃O₄. Lascas de magnetita servem como bússolas. As bússolas datam de cerca de 250 a.C. na China, onde eram chamados de ponteiros do sul.

Ímãs de liga de Alnico

Os ímãs de alnico são comumente usados, feitos de um composto de 35 por cento de alumínio (Al), 35 por cento de níquel (Ni) e 15 por cento de cobalto (Co) com 7 por cento de alumínio (Al), 4 por cento de cobre (Cu) e 4 por cento de titânio (Ti). Esses ímãs foram desenvolvidos na década de 1930 e se tornaram populares na década de 1940. A temperatura tem menos efeito sobre os ímãs de Alnico do que outros ímãs criados artificialmente. Os ímãs de Alnico podem ser desmagnetizados mais facilmente, portanto, a barra de Alnico e os ímãs em ferradura devem ser armazenados adequadamente para que não se desmagnetizem.

Os ímãs de Alnico são usados ​​de várias maneiras, especialmente em sistemas de áudio como alto-falantes e microfones. As vantagens dos ímãs de Alnico incluem alta resistência à corrosão, alta resistência física (não lasque, não rache ou quebre facilmente) e resistência a altas temperaturas (até 540 graus Celsius). As desvantagens incluem atração magnética mais fraca do que outros ímãs artificiais.

Ímãs de cerâmica (ferrite)

Na década de 1950, um novo grupo de ímãs foi desenvolvido. Ferritas hexagonais duras, também chamadas de ímãs de cerâmica, podem ser cortadas em fatias mais finas e expostas a campos de desmagnetização de baixo nível sem perder suas propriedades magnéticas. Eles também são baratos de fazer. A estrutura de ferrita hexagonal molecular ocorre em óxido de bário ligado com óxido de ferro (BaO ∙ 6Fe₂O₃) e óxido de estrôncio ligado a óxido de ferro (SrO ∙ 6Fe₂O₃). A ferrita de estrôncio (Sr) tem propriedades magnéticas ligeiramente melhores. Os ímãs permanentes mais comumente usados ​​são os ímãs de ferrite (cerâmica). Além do custo, as vantagens dos ímãs de cerâmica incluem boa resistência à desmagnetização e alta resistência à corrosão. Eles são, no entanto, frágeis e quebram facilmente.

Ímãs de Samário-Cobalto

Os ímãs de samário-cobalto foram desenvolvidos em 1967. Esses ímãs, com uma composição molecular de SmCo₅, tornaram-se os primeiros ímãs permanentes comerciais de terras raras e metais de transição. Em 1976 foi desenvolvida uma liga de samário cobalto com oligoelementos (ferro, cobre e zircão), com estrutura molecular de Sm.₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Esses ímãs têm grande potencial para uso em aplicações de alta temperatura, até cerca de 500 C, mas o alto custo dos materiais limita o uso desse tipo de ímã. O samário é raro mesmo entre os elementos de terras raras e o cobalto é classificado como um metal estratégico, portanto, os suprimentos são controlados.

Os ímãs de samário-cobalto funcionam bem em condições úmidas. Outras vantagens incluem alta resistência ao calor, resistência a baixas temperaturas (-273 C) e alta resistência à corrosão. Como os ímãs de cerâmica, porém, os ímãs de samário-cobalto são frágeis. Eles são, como afirmado, mais caros.

Ímãs de neodímio ferro boro

Os ímãs de neodímio ferro boro (NdFeB ou NIB) foram inventados em 1983. Esses ímãs contêm 70% de ferro, 5% de boro e 25% de neodímio, um elemento de terra rara. Os ímãs NIB se corroem rapidamente, por isso recebem uma camada protetora, geralmente de níquel, durante o processo de produção. Revestimentos de alumínio, zinco ou resina epóxi podem ser usados ​​em vez de níquel.

Embora os ímãs NIB sejam os ímãs permanentes conhecidos mais fortes, eles também têm a temperatura Curie mais baixa, cerca de 350 C (algumas fontes dizem que chega a 80 C), de outros ímãs permanentes. Esta baixa temperatura Curie limita seu uso industrial. Os ímãs de neodímio ferro boro tornaram-se uma parte essencial dos eletrônicos domésticos, incluindo telefones celulares e computadores. Os ímãs de neodímio ferro boro também são usados ​​em máquinas de ressonância magnética (MRI).

As vantagens dos ímãs NIB incluem a relação potência / peso (até 1.300 vezes), alta resistência à desmagnetização em temperaturas humanas confortáveis ​​e custo-benefício. As desvantagens incluem perda de magnetismo em temperaturas mais baixas de Curie, baixa resistência à corrosão (se o o revestimento está danificado) e fragilidade (pode quebrar, rachar ou lascar em colisões repentinas com outros ímãs ou metais. (Consulte Recursos para frutas magnéticas, uma atividade que usa ímãs NIB.)

Os ímãs temporários consistem nos chamados materiais de ferro macio. Ferro macio significa que os átomos e elétrons são capazes de se alinhar dentro do ferro, comportando-se como um ímã por um tempo. A lista de metais magnéticos inclui pregos, clipes de papel e outros materiais que contenham ferro. Os ímãs temporários tornam-se ímãs quando expostos ou colocados dentro de um campo magnético. Por exemplo, uma agulha atritada por um ímã torna-se um ímã temporário porque o ímã faz com que os elétrons se alinhem dentro da agulha. Se o campo magnético ou a exposição ao ímã for forte o suficiente, os ferros macios podem se tornar ímãs permanentes, pelo menos até que o calor, o choque ou o tempo façam com que os átomos percam o alinhamento.

O terceiro tipo de ímã ocorre quando a eletricidade passa por um fio. Enrolar o fio em torno de um núcleo de ferro macio amplifica a força do campo magnético. Aumentar a eletricidade aumenta a força do campo magnético. Quando a eletricidade flui pelo fio, o ímã funciona. Pare o fluxo de elétrons e o campo magnético entra em colapso. (Consulte Recursos para uma simulação PhET de eletromagnetismo.)

O maior ímã do mundo é, de fato, a Terra. O núcleo interno de ferro-níquel sólido da Terra girando no núcleo externo de ferro-níquel líquido se comporta como um dínamo, gerando um campo magnético. O campo magnético fraco atua como uma barra magnética inclinada a cerca de 11 graus do eixo da Terra. A extremidade norte deste campo magnético é o pólo sul da barra magnética. Uma vez que os campos magnéticos opostos se atraem, a extremidade norte de uma bússola magnética aponta para a extremidade sul do campo magnético da Terra localizado perto do pólo norte (para colocá-lo de outra forma, o pólo magnético sul da Terra está localizado perto do pólo norte geográfico, embora você frequentemente veja esse pólo magnético sul rotulado como o pólo magnético norte pólo).

O campo magnético da Terra gera a magnetosfera que circunda a Terra. A interação do vento solar com a magnetosfera causa as luzes do norte e do sul conhecidas como Aurora Borealis e Aurora Australis.

O campo magnético da Terra também afeta os minerais de ferro nos fluxos de lava. Os minerais de ferro na lava se alinham com o campo magnético da Terra. Esses minerais alinhados "congelam" no lugar conforme a lava esfria. Estudos de alinhamentos magnéticos em fluxos de basalto em ambos os lados da dorsal mesoatlântica fornecem evidências não apenas para reversões do campo magnético da Terra, mas também para a teoria da placa tectônica.