Como os ímãs são formados?

Quase todo mundo está familiarizado com um ímã básico e o que ele faz ou pode fazer. Uma criança pequena, se dados alguns momentos de brincadeira e a combinação certa de materiais, reconheceria rapidamente que certos tipos de coisas (que a criança mais tarde identificará como metais) são puxados em direção ao ímã, enquanto outras não são afetadas por isso. E se a criança receber mais de um ímã para brincar, os experimentos rapidamente se tornarão ainda mais interessantes.

Magnetismo é uma palavra que engloba uma série de interações conhecidas no mundo físico que não são visíveis a olho nu humano. Os dois tipos básicos de ímãs são ferromagnetos, que criam campos magnéticos permanentes em torno de si, e eletroímãs, que são materiais nos quais o magnetismo pode ser temporariamente induzido quando são colocados em um campo elétrico, como aquele gerado por uma bobina de fio condutor de corrente.

Se alguém te perguntar o Perigo-style pergunta "Um ímã é feito de qual material?" então você pode ter certeza de que não há uma resposta única - e armado com as informações disponíveis, você poderá até mesmo explicar ao questionador todos os detalhes úteis, incluindo como é um ímã formado.

Tal como acontece com tantas coisas na física - por exemplo, gravidade, som e luz - o magnetismo sempre "existiu", mas a capacidade da humanidade de descrevê-lo e fazer previsões sobre ele com base em experimentos e os modelos e estruturas resultantes progrediram ao longo do séculos. Todo um ramo da física surgiu em torno dos conceitos relacionados de eletricidade e magnetismo, geralmente chamados de eletromagnetismo.

As culturas antigas estavam cientes de que o magnetita, um tipo raro de magnetita mineral contendo ferro e oxigênio (fórmula química: Fe₃O₄), pode atrair pedaços de metal. Por volta do século 11, os chineses aprenderam que tal pedra que por acaso era longa e fina se orientaria ao longo de um eixo norte-sul se suspensa no ar, abrindo caminho para o bússola.

Os viajantes europeus usando a bússola notaram que a direção que indicava o norte variava ligeiramente ao longo das viagens transatlânticas. Isso levou à compreensão de que a própria Terra é essencialmente um ímã massivo, com "norte magnético" e "norte verdadeiro" sendo ligeiramente diferentes, e diferentes em quantidades variáveis ​​ao longo do globo. (O mesmo se aplica ao sul verdadeiro e magnético.)

Um número limitado de materiais, incluindo ferro, cobalto, níquel e gadolínio, manifesta fortes efeitos magnéticos por conta própria. Todos os campos magnéticos resultam de cargas elétricas que se movem umas em relação às outras. A indução de magnetismo em um eletroímã colocando-o perto de uma bobina de fio condutor de corrente foi mencionado, mas até mesmo os ferromagnetos possuem magnetismo apenas por causa de minúsculas correntes geradas no sistema atômico nível.

Se um ímã permanente é aproximado de um material ferromagnético, os componentes de átomos individuais de ferro, cobalto ou qualquer que seja o material está alinhado com as linhas imaginárias de influência do ímã que se espalha de seus pólos norte e sul, chamado de campo. Se a substância for aquecida e resfriada, a magnetização pode se tornar permanente, embora também possa ocorrer espontaneamente; esta magnetização pode ser revertida por calor extremo ou perturbação física.

Não existe monopolo magnético; isto é, não existe um "ímã pontual", como ocorre com as cargas elétricas pontuais. Em vez disso, os ímãs têm dipolos magnéticos e suas linhas de campo magnético se originam no pólo norte magnético e se espalham antes de retornar ao pólo sul. Lembre-se de que essas "linhas" são apenas ferramentas usadas para descrever o comportamento de átomos e partículas!

Como enfatizado anteriormente, os campos magnéticos são produzidos por correntes. Em ímãs permanentes, minúsculas correntes são produzidas pelos dois tipos de movimento dos elétrons nesses átomos de ímãs: sua órbita em torno do próton central do átomo e sua rotação, ou rodar.

Na maioria dos materiais, os pequenos momentos magnéticos criado pelo movimento dos elétrons individuais de um determinado átomo se anulam mutuamente. Quando isso não ocorre, o próprio átomo age como um minúsculo ímã. Em materiais ferromagnéticos, os momentos magnéticos não só não se cancelam, mas também se alinham no mesma direção, e deslocar de modo a ser alinhado na mesma direção que as linhas de um material magnético externo aplicado campo.

Alguns materiais têm átomos que se comportam de maneira a permitir que sejam magnetizados em vários graus por um campo magnético aplicado. (Lembre-se de que nem sempre é necessário um ímã para a presença de um campo magnético; uma corrente elétrica considerável resolverá o problema.) Como você verá, alguns desses materiais não precisam de uma parte duradoura do magnetismo, enquanto outros se comportam de maneira mais melancólica.

Uma lista de materiais magnéticos que forneça apenas os nomes dos metais que exibem magnetismo não seria tão útil quanto um lista de materiais magnéticos ordenados pelo comportamento de seus campos magnéticos e como as coisas operam no microscópio nível. Esse sistema de classificação existe e separa o comportamento magnético em cinco tipos.

• Diamagnetismo: A maioria dos materiais exibe essa propriedade, na qual os momentos magnéticos dos átomos colocados em um campo magnético externo se alinham em uma direção oposta à do campo aplicado. Por conseguinte, o campo magnético resultante se opõe ao campo aplicado. Este campo "reativo", entretanto, é muito fraco. Como os materiais com essa propriedade não são magnéticos em nenhum sentido significativo, a força do magnetismo não depende da temperatura.
  
• Paramagnetismo: Os materiais com essa propriedade, como o alumínio, têm átomos individuais com momentos de dipolo líquidos positivos. Os momentos de dipolo de átomos vizinhos, entretanto, geralmente se cancelam, deixando o material como um todo não magnetizado. Quando um campo magnético é aplicado, em vez de opor o campo completamente, os dipolos magnéticos de os átomos se alinham de forma incompleta com o campo aplicado, resultando em uma fraca magnetização material.
  
• Ferromagnetismo: Materiais como ferro, níquel e magnetita (magnetita) têm essa propriedade potente. Como já mencionado, os momentos de dipolo de átomos vizinhos se alinham mesmo na ausência de um campo magnético. Suas interações podem resultar em um campo magnético de magnitudes que chegam a 1.000 Tesla, ou T (a unidade SI de intensidade do campo magnético; não uma força, mas algo como uma). Em comparação, o campo magnético da própria Terra é 100 milhões de vezes mais fraco!
  
• Ferrimagnetismo: Observe a diferença de uma única vogal da classe de materiais anterior. Esses materiais são geralmente óxidos, e suas interações magnéticas únicas derivam do fato de que os átomos desses óxidos estão dispostos em uma estrutura de "rede" de cristal. O comportamento dos materiais ferrimagnéticos é muito parecido com o dos materiais ferromagnéticos, mas a ordem do elementos magnéticos no espaço são diferentes, levando a diferentes níveis de sensibilidade à temperatura e outros distinções.
  
• Antiferromagnetismo: Esta classe de materiais é caracterizada por uma sensibilidade peculiar à temperatura. Acima de uma determinada temperatura, chamada de Temperatura Neel ou T_N, o material se comporta de maneira muito semelhante a um material paramagnético. Um exemplo de tal material é a hematita. Esses materiais também são cristais, mas como o nome indica, as redes são organizadas de forma que as interações do dipolo magnético são completamente canceladas quando nenhum campo magnético externo é presente.