A física raramente parece mais mágica do que quando você encontra um ímã pela primeira vez quando criança. Conseguir um ímã em barra na aula de ciências e tentar - com todas as suas forças - empurrá-lo em direção ao pólo correspondente de outro ímã, mas sendo completamente incapaz de, ou deixando pólos opostos próximos um do outro, mas sem se tocar, então você pode vê-los rastejarem juntos e, eventualmente, Junte. Você aprende rapidamente que esse comportamento é resultado do magnetismo, mas o que realmente é magnetismo? Qual é a ligação entre eletricidade e magnetismo que permite que os eletroímãs funcionem? Por que você não usaria um ímã permanente em vez de um eletroímã em um depósito de sucata de metal, por exemplo? Magnetismo é um tópico fascinante e complicado, mas se você quer apenas aprender as propriedades de um ímã e o básico, é realmente fácil de aprender.
Como funcionam os ímãs?
Em última análise, o comportamento magnético é causado pelo movimento dos elétrons. Uma carga elétrica em movimento gera um campo magnético e - como você pode esperar - ímãs e campos magnéticos estão intimamente ligados. Como um elétron é uma partícula carregada, seu movimento orbital em torno do núcleo de um átomo cria um pequeno campo magnético. De modo geral, porém, há toneladas de elétrons em um material, e o campo criado por um será cancelado pelo campo criado por outro, e não haverá qualquer magnetismo do material como um inteira.
Alguns materiais funcionam de maneira diferente, no entanto. O campo magnético criado por um elétron pode afetar a orientação do campo produzido pelos elétrons vizinhos, e eles ficam alinhados. Isso produz o que é chamado de "domínio" magnético dentro do material, onde todos os elétrons têm campos magnéticos alinhados. Os materiais que fazem isso são chamados de ferromagnéticos e, à temperatura ambiente, apenas ferro, níquel, cobalto e gadolínio são ferromagnéticos. Esses são os materiais que podem se tornar ímãs permanentes.
Os domínios dentro de um material ferromagnético terão orientações aleatórias; mesmo que os elétrons vizinhos alinhem seus campos, outros grupos provavelmente estarão alinhados em uma direção diferente. Isso não deixa magnetismo em grande escala, porque diferentes domínios se cancelam, assim como os elétrons individuais o fazem em outros materiais.
No entanto, se você aplicar um campo magnético externo - trazendo uma barra magnética para perto do material, por exemplo - os domínios começam a se alinhar. Quando tudo dos domínios estão alinhados, todo o pedaço de material efetivamente contém um único domínio e desenvolve dois pólos, geralmente chamados de norte e sul (embora positivo e negativo também possam ser usava).
Em materiais ferromagnéticos, esse alinhamento continua mesmo quando o campo externo é removido, mas em outras tipos de materiais (materiais paramagnéticos), as propriedades magnéticas são perdidas quando o campo externo é removido.
Quais são as propriedades de um ímã?
As propriedades definidoras dos ímãs são que eles atraem alguns materiais e os pólos opostos de outros ímãs e repelem como pólos de outros ímãs. Portanto, se você tiver duas barras magnéticas permanentes, empurrar dois pólos norte (ou sul) juntos produz uma força repulsiva, que fica mais forte quanto mais perto as duas extremidades se aproximam. Se você juntar dois pólos opostos (um norte e um sul), haverá uma força atrativa entre eles. Quanto mais você os aproxima, mais forte é essa força.
Materiais ferromagnéticos - como ferro, níquel e cobalto - ou ligas que os contêm (como aço) são atraídos por ímãs permanentes, mesmo se eles não estiverem produzindo um campo magnético próprio. Eles são apenas atraído para os ímãs, no entanto, e eles não serão repelidos a menos que comecem a produzir um campo magnético próprio. Outros materiais, como alumínio, madeira e cerâmica, não são atraídos por ímãs.
Como funciona um eletroímã?
Um ímã permanente e um eletroímã são bastante diferentes. Os eletroímãs envolvem eletricidade de uma forma mais óbvia e são gerados essencialmente pelo movimento dos elétrons através de um fio ou condutor elétrico. Tal como acontece com a criação de domínios magnéticos, o movimento dos elétrons através de um fio produz um campo magnético. A forma do campo depende da direção em que os elétrons estão viajando - se você apontar o polegar de sua mão direita na direção da corrente, seus dedos se curvam na direção do campo.
Para produzir um eletroímã simples, o fio elétrico é enrolado em torno de um núcleo central, geralmente feito de ferro. Quando a corrente flui através do fio, viajando em círculos ao redor do núcleo, um campo magnético é produzido, correndo ao longo do eixo central da bobina. Este campo está presente independentemente de você ter ou não um núcleo, mas com um núcleo de ferro, o campo alinha os domínios no material ferromagnético e, portanto, fica mais forte.
Quando o fluxo de eletricidade é interrompido, os elétrons carregados param de se mover ao redor da bobina de fio e o campo magnético desaparece.
Quais são as propriedades de um eletroímã?
Eletroímãs e ímãs têm as mesmas propriedades principais. A distinção entre um ímã permanente e um eletroímã é essencialmente uma em como o campo é criado, não nas propriedades do campo posteriormente. Portanto, os eletroímãs ainda têm dois pólos, atraem materiais ferromagnéticos e ainda têm pólos que repelem outros pólos semelhantes e atraem pólos diferentes. A diferença é que a carga móvel em ímãs permanentes é criada pelo movimento de elétrons em átomos, enquanto nos eletroímãs é criado pelo movimento dos elétrons como parte de um sistema elétrico atual.
Vantagens dos eletroímãs
No entanto, os eletroímãs têm muitas vantagens. Como o campo magnético é produzido pela corrente, suas características podem ser alteradas mudando a corrente. Por exemplo, aumentar a corrente aumenta a força do campo magnético. Da mesma forma, uma corrente alternada (eletricidade CA) pode ser usada para produzir um campo magnético em constante mudança, que pode ser usado para induzir uma corrente em outro condutor.
Para aplicações como guindastes magnéticos em depósitos de sucata de metal, a grande vantagem dos eletroímãs é que o campo pode ser desligado com facilidade. Se você pegasse um pedaço de sucata com um grande ímã permanente, removê-lo do ímã seria um grande desafio! Com um eletroímã, tudo o que você precisa fazer é interromper o fluxo de corrente e a sucata cairá.
Ímãs e Leis de Maxwell
As leis do eletromagnetismo são descritas pelas leis de Maxwell. Eles são escritos na linguagem do cálculo vetorial e requerem uma matemática bastante complicada para serem usados. No entanto, os fundamentos das regras relacionadas ao magnetismo podem ser compreendidos sem nos aprofundarmos na matemática complicada.
A primeira lei relativa ao magnetismo é chamada de "lei sem monopólo". Isso basicamente afirma que todos os ímãs têm dois pólos e nunca haverá um ímã com um único pólo. Em outras palavras, você não pode ter um pólo norte de um ímã sem um pólo sul e vice-versa.
A segunda lei relativa ao magnetismo é chamada de lei de Faraday. Isso descreve o processo de indução, onde um campo magnético variável (produzido por um eletroímã com um corrente variável ou por um ímã permanente em movimento) induz uma voltagem (e corrente elétrica) em um próximo condutor.
A lei final relativa ao magnetismo é chamada de lei de Ampère-Maxwell e descreve como um campo elétrico variável produz um campo magnético. A intensidade do campo está relacionada à corrente que passa pela área e à taxa de variação do campo elétrico (que é produzido por portadores de carga elétrica, como prótons e elétrons). Esta é a lei que você usa para calcular um campo magnético em casos mais simples, como para uma bobina de fio ou um fio reto longo.
