Por que o ferro é o melhor núcleo para um eletroímã?

O ferro é amplamente considerado o melhor núcleo para um eletroímã, mas por quê? Não é o único material magnético, e existem muitas ligas, como o aço, que você pode esperar que sejam mais usadas na era moderna. Entender por que é mais provável que você veja um eletroímã com núcleo de ferro do que outro usando outro material fornece uma breve introdução a muitos pontos sobre a ciência do eletromagnetismo, bem como uma abordagem estruturada para explicar quais materiais são mais usados ​​para fazer eletroímãs. A resposta, em suma, se resume à "permeabilidade" do material aos campos magnéticos.

A origem do magnetismo nos materiais é um pouco mais complexa do que você imagina. Embora a maioria das pessoas saiba que coisas como barras de ímã têm pólos "norte" e "sul", e que pólos opostos se atraem e se repelem, a origem da força não é tão amplamente compreendida. Em última análise, o magnetismo origina-se do movimento de partículas carregadas.

Os elétrons "orbitam" o núcleo do átomo hospedeiro um pouco como os planetas orbitam o Sol, e os elétrons carregam uma carga elétrica negativa. O movimento da partícula carregada - você pode pensar nisso como um loop circular, embora não seja tão simples assim - leva à criação de um campo magnético. Este campo é gerado apenas por um elétron - uma partícula minúscula com uma massa de cerca de um bilionésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de um grama - então não deveria surpreendê-lo que o campo de um único elétron não é tão grande. No entanto, ele influencia os elétrons em átomos vizinhos e faz com que seus campos se alinhem com o original. Então, o campo destes influencia outros elétrons, eles por sua vez influenciam outros e assim por diante. O resultado final é a criação de um pequeno “domínio” de elétrons onde todos os campos magnéticos produzidos por eles estão alinhados.

Qualquer bit macroscópico de material - em outras palavras, uma amostra grande o suficiente para você ver e interagir - tem espaço de sobra para vários domínios. A direção do campo em cada um é efetivamente aleatória, de modo que os vários domínios tendem a se anular mutuamente. A amostra macroscópica de material, portanto, não terá um campo magnético líquido. No entanto, se você expõe o material a outro campo magnético, isso faz com que todos os domínios se alinhem com ele e, portanto, todos estarão alinhados uns com os outros. Quando isso acontecer, a amostra macroscópica do material terá um campo magnético, porque todos os pequenos campos estão “trabalhando juntos”, por assim dizer.

A extensão em que um material mantém este alinhamento de domínios após o campo externo ser removido determina qual materiais que você pode chamar de "magnéticos". Materiais ferromagnéticos são aqueles que mantêm este alinhamento após o campo externo ter foi removido. Como você deve ter percebido se conhece sua tabela periódica, esse nome é derivado de ferro (Fe), e ferro é o material ferromagnético mais conhecido.

A descrição acima enfatiza que o movimento elétrico cargas produzem magnético Campos. Esta ligação entre as duas forças é crucial para a compreensão dos eletroímãs. Da mesma forma que o movimento de um elétron ao redor do núcleo de um átomo produz um campo magnético, o movimento dos elétrons como parte de uma corrente elétrica também produz um campo magnético. Isso foi descoberto por Hans Christian Oersted em 1820, quando ele percebeu que a agulha de uma bússola foi desviada pela corrente que fluía por um fio próximo. Para um fio reto, as linhas do campo magnético formam círculos concêntricos ao redor do fio.

Os eletroímãs exploram esse fenômeno usando uma bobina de fio. Conforme a corrente flui através da bobina, o campo magnético gerado por cada loop adiciona ao campo gerado pelos outros loops, produzindo um "norte" e "sul" definitivos (ou positivo e negativo) fim. Este é o princípio básico que sustenta os eletroímãs.

Isso por si só seria suficiente para produzir magnetismo, mas os eletroímãs são aprimorados com a adição de um "núcleo". Este é um material que o fio está enrolado, e se for um material magnético, suas propriedades contribuirão para o campo produzido pela bobina de fio. O campo produzido pela bobina alinha os domínios magnéticos do material, de modo que tanto a bobina quanto o núcleo magnético físico trabalham juntos para produzir um campo mais forte do que qualquer um poderia sozinho.

A questão de qual metal é adequado para núcleos de eletroímã é respondida pela “permeabilidade relativa” do material. No contexto do eletromagnetismo, a permeabilidade do material descreve a capacidade do material de formar campos magnéticos. Se um material tiver uma permeabilidade mais alta, ele se magnetizará mais fortemente em resposta a um campo magnético externo.

O "relativo" no termo define um padrão para comparação da permeabilidade de diferentes materiais. A permeabilidade do espaço livre recebe o símbolo μ₀ e é usado em muitas equações que lidam com magnetismo. É uma constante com o valor μ₀ = 4π × 10⁻⁷ Henry por metro. A permeabilidade relativa (μ_r) de um material é definido por:

μ_r = μ / μ₀

Onde μ é a permeabilidade da substância em questão. A permeabilidade relativa não tem unidades; é apenas um número puro. Então, se algo não responde a um campo magnético, tem uma permeabilidade relativa de um, o que significa que responde da mesma maneira como um vácuo completo, em outras palavras, "espaço livre". Quanto maior for a permeabilidade relativa, maior será a resposta magnética do material.

O melhor núcleo para um eletroímã é, portanto, o material com a maior permeabilidade relativa. Qualquer material com uma permeabilidade relativa superior a um aumentará a força de um eletroímã quando usado como um núcleo. O níquel é um exemplo de material ferromagnético e tem uma permeabilidade relativa entre 100 e 600. Se você usasse um núcleo de níquel como eletroímã, a força do campo produzido seria drasticamente melhorada.

No entanto, o ferro tem uma permeabilidade relativa de 5.000 quando é 99,8% puro, e a permeabilidade relativa do ferro macio com pureza de 99,95% é de 200.000 maciços. Essa enorme permeabilidade relativa é o motivo pelo qual o ferro é o melhor núcleo para um eletroímã. Existem muitas considerações ao escolher um material para um núcleo eletroímã, incluindo a probabilidade de desperdício resultante de correntes parasitas, mas, de modo geral, o ferro é barato e eficaz, por isso é de alguma forma incorporado ao material do núcleo ou o núcleo é feito de ferro puro.

Muitos materiais podem funcionar como núcleos de eletroímãs, mas alguns mais comuns são ferro, aço amorfo, ferro cerâmica (compostos cerâmicos feitos com óxido de ferro), aço silício e fita amorfa à base de ferro. Em princípio, qualquer material com uma alta permeabilidade relativa pode ser usado como um núcleo de eletroímã. Existem alguns materiais que foram feitos especificamente para servir como núcleos de eletroímãs, incluindo o permalloy, que tem uma permeabilidade relativa de 8.000. Outro exemplo é o Nanoperm baseado em ferro, que tem uma permeabilidade relativa de 80.000.

Esses números são impressionantes (e ambos excedem a permeabilidade do ferro levemente impuro), mas a chave para o domínio dos núcleos de ferro é realmente uma mistura de sua permeabilidade e acessibilidade.