O que causa forças diferentes em ímãs?

Muitas pessoas estão familiarizadas com os ímãs porque, muitas vezes, eles têm ímãs decorativos na geladeira da cozinha. No entanto, os ímãs têm muitas finalidades práticas além da decoração, e muitos afetam nossas vidas diárias sem que sequer saibamos.

Há muitas perguntas sobre como funcionam os ímãs e outras questões gerais sobre o magnetismo. No entanto, para responder à maioria dessas perguntas e para entender como diferentes ímãs podem ter diferentes pontos fortes dos campos magnéticos, é importante entender o que é um campo magnético e como ele é produzido.

Um campo magnético é uma força que atua sobre uma partícula carregada, e a equação governante para esta interação é oLei da força de Lorentz.A equação completa para a força de umcampo elétrico​ ​Ee umcampo magnético Bem uma partícula com cargaqe velocidadevÉ dado por:

Lembre-se disso porque a forçaF, os camposEeB, e a velocidadevsão todos vetores, o×operação é oproduto vetorial vetorial, não multiplicação.

Os campos magnéticos são produzidos pelo movimento de partículas carregadas, muitas vezes chamadascorrente elétrica. Fontes comuns de campos magnéticos de corrente elétrica são eletroímãs, como um fio simples, um fio em um loop e vários loops de fio em uma série que é chamada desolenóide. O campo magnético da Terra também é causado pelo movimento de partículas carregadas no núcleo.

No entanto, os ímãs em sua geladeira não parecem ter correntes fluindo ou fontes de energia. Como isso funciona?

Um ímã permanente é um pedaço dematerial ferromagnéticoque tem uma propriedade intrínseca que produz um campo magnético. O efeito intrínseco que produz um campo magnético é um spin do elétron, e o alinhamento desses spins cria domínios magnéticos. Esses domínios resultam em um campo magnético líquido.

Materiais ferromagnéticos tendem a ter um alto grau de ordenação de domínio em sua forma de ocorrência natural, que pode ser facilmente totalmente alinhada por um campo magnético externo. Assim, os ímãs ferromagnéticos tendem a ser magnéticos quando encontrados na natureza e retêm facilmente suas propriedades magnéticas.

​Materiais diamagnéticossão semelhantes aos materiais ferromagnéticos e podem produzir um campo magnético quando encontrados na natureza, mas respondem aos campos externos de forma diferente. O material diamagnético produzirá um campo magnético com orientação oposta na presença de um campo externo. Este efeito pode limitar a força desejada do ímã.

​Materiais paramagnéticossão magnéticos apenas na presença de um campo magnético de alinhamento externo e tendem a ser bastante fracos.

Conforme mencionado, os ímãs permanentes consistem em domínios magnéticos que se alinham aleatoriamente. Dentro de cada domínio, existe algum grau de ordenação que cria um campo magnético. A interação de todos os domínios em uma peça de material ferromagnético, portanto, produz o campo magnético geral, ou líquido, para o ímã.

Se os domínios estiverem alinhados aleatoriamente, é provável que haja um campo magnético muito pequeno ou efetivamente zero. No entanto, se um campo magnético externo for aproximado do ímã não ordenado, os domínios começarão a se alinhar. A distância do campo de alinhamento aos domínios afetará o alinhamento geral e, portanto, o campo magnético líquido resultante.

Deixar um material ferromagnético em um campo magnético externo por um longo período de tempo pode ajudar a completar o pedido e aumentar o campo magnético produzido. Da mesma forma, o campo magnético líquido de um ímã permanente pode ser diminuído trazendo vários campos magnéticos aleatórios ou interferentes, o que pode desalinhar os domínios e reduzir o campo magnético líquido.

O tamanho de um ímã afeta sua força? A resposta curta é sim, mas apenas porque o tamanho de um ímã significa que há proporcionalmente mais domínios que podem alinhar e produzir um campo magnético mais forte do que um pedaço menor do mesmo material. No entanto, se o comprimento do ímã for muito longo, há uma chance maior de que os campos magnéticos dispersos desalinhem os domínios e diminuam o campo magnético líquido.

Outro fator que contribui para a força do ímã étemperatura. Em 1895, o físico francês Pierre Curie determinou que os materiais magnéticos têm um corte de temperatura no qual suas propriedades magnéticas podem mudar. Especificamente, os domínios não se alinham mais também, portanto, o alinhamento do domínio da semana leva a um campo magnético líquido fraco.

Para o ferro, a temperatura Curie é de cerca de 1.418 graus Fahrenheit. Para a magnetita, é em torno de 1.060 graus Fahrenheit. Observe que essas temperaturas são significativamente mais baixas do que seus pontos de fusão. Assim, a temperatura do ímã pode afetar sua força.

Uma categoria diferente de ímãs sãoeletroímãs, que são essencialmente ímãs que podem ser ligados e desligados.

O eletroímã mais comum usado em várias aplicações industriais é um solenóide. Um solenóide é uma série de loops de corrente, que resulta em um campo uniforme no centro dos loops. Isso se deve ao fato de que cada loop de corrente individual cria um campo magnético circular ao redor do fio. Ao colocar vários em série, a superposição dos campos magnéticos cria um campo reto e uniforme através do centro dos loops.

A equação para a magnitude de um campo magnético solenoidal é simplesmente:B = μ₀nI, Ondeμ₀ é a permeabilidade do espaço livre,né o número de loops atuais por unidade de comprimento eeué a corrente que flui através deles. A direção do campo magnético é determinada pela regra da mão direita e pela direção do fluxo da corrente e, portanto, pode ser revertida invertendo a direção da corrente.

É muito fácil ver que a força de um solenóide pode ser ajustada de duas maneiras principais. Primeiro, a corrente através do solenóide pode ser aumentada. Embora pareça que a corrente pode ser aumentada arbitrariamente, pode haver limitações na fonte de alimentação ou na resistência do circuito, o que pode resultar em danos se a corrente for extraída.

Portanto, uma maneira mais segura de aumentar a força magnética de um solenóide é aumentar o número de loops de corrente. O campo magnético claramente aumenta proporcionalmente. A única limitação neste caso pode ser a quantidade de fio disponível ou limitações espaciais se o solenóide for muito longo devido ao número de loops de corrente.

Existem muitos tipos de eletroímãs além dos solenóides, mas todos têm a mesma propriedade geral: sua força é proporcional ao fluxo de corrente.

Os eletroímãs são onipresentes e têm muitos usos. Um exemplo comum e muito simples de um eletroímã, especificamente um solenóide, é um alto-falante. A variação da corrente através do alto-falante faz com que a força do campo magnético solenoidal aumente e diminua.

Quando isso acontece, outro ímã, especificamente um ímã permanente, é colocado em uma extremidade do solenóide e contra uma superfície vibratória. À medida que os dois campos magnéticos se atraem e se repelem devido à mudança do campo solenoidal, a superfície vibratória é puxada e empurrada criando o som.

Alto-falantes de melhor qualidade usam solenóides de alta qualidade, ímãs permanentes e superfícies vibratórias para criar uma saída de som de alta qualidade.

O maior ímã do mundo é a própria Terra! Como mencionado, a Terra possui um campo magnético que é devido às correntes criadas com o núcleo da Terra. Embora não seja um campo magnético muito forte em relação a muitos pequenos ímãs portáteis ou os que já foram usados ​​em aceleradores de partículas, a própria Terra é um dos maiores ímãs que conhecemos!

Outro material magnético interessante é a magnetita. A magnetita é um minério de ferro não apenas muito comum, mas também o mineral com maior teor de ferro. Às vezes é chamado de magnetita, devido à sua propriedade única de ter um campo magnético que está sempre alinhado com o campo magnético da Terra. Como tal, foi usado como uma bússola magnética já em 300 AC.