Magnético - Magnet

Um " ímã em ferradura " feito de alnico , uma liga de ferro. O íman, em forma de ferradura , tem os dois pólos magnéticos próximos um do outro. Essa forma cria um forte campo magnético entre os pólos, permitindo que o ímã pegue um pesado pedaço de ferro.
Linhas de campo magnético de um eletroímã solenóide , que são semelhantes a uma barra de ímã conforme ilustrado abaixo com as limalhas de ferro

Um ímã é um material ou objeto que produz um campo magnético . Este campo magnético é invisível, mas é responsável pela propriedade mais notável de um ímã: uma força que puxa outros materiais ferromagnéticos , como ferro , aço , níquel , cobalto , etc. e atrai ou repele outros ímãs.

Um ímã permanente é um objeto feito de um material que é magnetizado e cria seu próprio campo magnético persistente. Um exemplo do dia a dia é um ímã de geladeira usado para segurar notas na porta de uma geladeira. Os materiais que podem ser magnetizados, que também são fortemente atraídos por um ímã, são chamados de ferromagnéticos (ou ferrimagnéticos ). Isso inclui os elementos ferro , níquel e cobalto e suas ligas, algumas ligas de metais de terras raras e alguns minerais naturais, como a magnetita . Embora os materiais ferromagnéticos (e ferrimagnéticos) sejam os únicos atraídos por um ímã com força suficiente para serem comumente considerados magnéticos, todas as outras substâncias respondem fracamente a um campo magnético, por um dos vários outros tipos de magnetismo .

Os materiais ferromagnéticos podem ser divididos em materiais magneticamente "macios", como o ferro recozido , que pode ser magnetizado, mas não tende a permanecer magnetizado, e materiais magneticamente "duros", que ficam. Os ímãs permanentes são feitos de materiais ferromagnéticos "duros", como o alnico e a ferrita, que são submetidos a um processamento especial em um campo magnético forte durante a fabricação para alinhar sua estrutura microcristalina interna , tornando-os muito difíceis de desmagnetizar. Para desmagnetizar um ímã saturado, um determinado campo magnético deve ser aplicado, e este limite depende da coercividade do respectivo material. Materiais "duros" têm alta coercividade, enquanto materiais "moles" têm baixa coercividade. A força total de um ímã é medida por seu momento magnético ou, alternativamente, pelo fluxo magnético total que ele produz. A força local do magnetismo em um material é medida por sua magnetização .

Um eletroímã é feito de uma bobina de fio que atua como um ímã quando uma corrente elétrica passa por ele, mas deixa de ser um ímã quando a corrente pára. Freqüentemente, a bobina é enrolada em torno de um núcleo de material ferromagnético "macio", como aço carbono , o que aumenta muito o campo magnético produzido pela bobina.

Descoberta e desenvolvimento

Os povos antigos aprenderam sobre magnetismo a partir de magnetitas (ou magnetita ), que são peças naturalmente magnetizadas de minério de ferro. A palavra magnet foi adotada em inglês médio do latim magnetum " magnetita ", em última análise, do grego μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) que significa "[pedra] da Magnésia", uma parte da Grécia antiga onde foram encontradas magnetitas. Lodestones, suspensos para que pudessem girar, foram as primeiras bússolas magnéticas . As primeiras descrições sobreviventes de ímãs e suas propriedades são da Grécia, Índia e China, há cerca de 2.500 anos. As propriedades das magnetitas e sua afinidade com o ferro foram escritas por Plínio, o Velho, em sua enciclopédia Naturalis Historia .

Por volta dos séculos 12 a 13 dC, bússolas magnéticas eram usadas na navegação na China, Europa, Península Arábica e em outros lugares.

Física

Campo magnético

Limalha de ferro orientada no campo magnético produzido por uma barra magnética
Detecção de campo magnético com bússola e limalha de ferro

A densidade do fluxo magnético (também chamado de campo magnético B ou apenas campo magnético, geralmente denominado B ) é um campo vetorial . O vetor campo magnético B em um determinado ponto no espaço é especificado por duas propriedades:

  1. Sua direção , que é ao longo da orientação de uma agulha de bússola .
  2. Sua magnitude (também chamada de força ), que é proporcional à força com que a agulha da bússola se orienta ao longo dessa direção.

Em unidades SI , a força do campo magnético B é dada em teslas .

Momento magnético

O momento magnético de um ímã (também chamado de momento de dipolo magnético e geralmente denotado μ ) é um vetor que caracteriza as propriedades magnéticas gerais do ímã. Para um ímã em barra, a direção do momento magnético aponta do pólo sul do ímã para o pólo norte, e a magnitude se relaciona com a força e a distância entre esses pólos. Em unidades SI , o momento magnético é especificado em termos de A · m 2 (amperes vezes metros ao quadrado).

Um ímã produz seu próprio campo magnético e responde a campos magnéticos. A intensidade do campo magnético que ele produz é, em qualquer ponto, proporcional à magnitude de seu momento magnético. Além disso, quando o ímã é colocado em um campo magnético externo, produzido por uma fonte diferente, ele está sujeito a um torque que tende a orientar o momento magnético paralelo ao campo. A quantidade desse torque é proporcional ao momento magnético e ao campo externo. Um ímã também pode estar sujeito a uma força que o conduz em uma direção ou outra, de acordo com as posições e orientações do ímã e da fonte. Se o campo for uniforme no espaço, o ímã não estará sujeito a nenhuma força resultante, embora esteja sujeito a um torque.

Um fio em forma de círculo com área A e corrente portadora I tem um momento magnético de magnitude igual a IA .

Magnetização

A magnetização de um material magnetizado é o valor local de seu momento magnético por unidade de volume, geralmente denominado M , com unidades A / m . É um campo vetorial , em vez de apenas um vetor (como o momento magnético), porque diferentes áreas em um ímã podem ser magnetizadas com diferentes direções e intensidades (por exemplo, por causa dos domínios, veja abaixo). Uma boa barra de ímã pode ter um momento magnético de magnitude 0,1 A · m 2 e um volume de 1 cm 3 , ou 1 × 10 -6  m 3 e, portanto, uma magnitude de magnetização média é 100.000 A / m. O ferro pode ter uma magnetização de cerca de um milhão de amperes por metro. Um valor tão grande explica por que os ímãs de ferro são tão eficazes na produção de campos magnéticos.

Imãs de modelagem

Campo de uma barra magnética cilíndrica calculado com precisão

Existem dois modelos diferentes para ímãs: pólos magnéticos e correntes atômicas.

Embora, para muitos propósitos, seja conveniente pensar em um ímã como tendo pólos magnéticos norte e sul distintos, o conceito de pólos não deve ser tomado literalmente: é apenas uma forma de se referir às duas extremidades diferentes de um ímã. O ímã não possui partículas distintas de norte ou sul em lados opostos. Se uma barra magnética for quebrada em duas partes, na tentativa de separar os pólos norte e sul, o resultado será duas barras magnéticas, cada um dos quais com um pólo norte e um pólo sul. No entanto, uma versão da abordagem do pólo magnético é usada por magnéticos profissionais para projetar ímãs permanentes.

Nesta abordagem, a divergência da magnetização ∇ · M dentro de um ímã e o componente normal da superfície M · n são tratados como uma distribuição de monopólos magnéticos . Esta é uma conveniência matemática e não significa que existam realmente monopolos no ímã. Se a distribuição magnético pólos é conhecido, então o modelo de pólo dá o campo magnético H . Do lado de fora o íman, o domínio B é proporcional a H , enquanto que no interior da magnetização devem ser adicionados a H . Uma extensão desse método que permite cargas magnéticas internas é usada em teorias de ferromagnetismo.

Outro modelo é o modelo Ampère , onde toda a magnetização é devida ao efeito de correntes circulares microscópicas, ou atômicas , também chamadas de correntes Ampèrianas, em todo o material. Para um ímã em barra cilíndrica uniformemente magnetizado, o efeito líquido das correntes microscópicas ligadas é fazer o ímã se comportar como se houvesse uma folha macroscópica de corrente elétrica fluindo ao redor da superfície, com direção de fluxo local normal ao eixo do cilindro. Correntes microscópicas em átomos dentro do material são geralmente canceladas por correntes em átomos vizinhos, então apenas a superfície faz uma contribuição líquida; raspar a camada externa de um ímã não destruirá seu campo magnético, mas deixará uma nova superfície de correntes não canceladas das correntes circulares em todo o material. A regra da mão direita informa em qual direção a corrente carregada positivamente flui. No entanto, a corrente devido à eletricidade carregada negativamente é muito mais prevalente na prática.

Polaridade

O pólo norte de um ímã é definido como o pólo que, quando o ímã está livremente suspenso, aponta para o Pólo Magnético Norte da Terra no Ártico (os pólos magnético e geográfico não coincidem, veja declinação magnética ). Como os pólos opostos (norte e sul) se atraem, o Pólo Magnético Norte é, na verdade, o pólo sul do campo magnético da Terra. Na prática, para saber qual pólo de um ímã está ao norte e qual está ao sul, não é necessário usar o campo magnético da Terra. Por exemplo, um método seria compará-lo a um eletroímã , cujos pólos podem ser identificados pela regra da mão direita . As linhas do campo magnético de um ímã são consideradas por convenção como emergindo do pólo norte do ímã e reentrando no pólo sul.

Materiais magnéticos

O termo ímã é normalmente reservado para objetos que produzem seu próprio campo magnético persistente, mesmo na ausência de um campo magnético aplicado. Apenas certas classes de materiais podem fazer isso. A maioria dos materiais, no entanto, produz um campo magnético em resposta a um campo magnético aplicado - um fenômeno conhecido como magnetismo. Existem vários tipos de magnetismo e todos os materiais exibem pelo menos um deles.

O comportamento magnético geral de um material pode variar amplamente, dependendo da estrutura do material, particularmente em sua configuração eletrônica . Várias formas de comportamento magnético foram observadas em diferentes materiais, incluindo:

  • Materiais ferromagnéticos e ferrimagnéticos são aqueles normalmente considerados magnéticos; eles são atraídos por um ímã com força suficiente para que a atração possa ser sentida. Esses materiais são os únicos que podem reter a magnetização e se tornar ímãs; um exemplo comum é um ímã de geladeira tradicional . Os materiais ferrimagnéticos, que incluem ferritas e os materiais magnéticos mais antigos, magnetita e magnetita , são semelhantes, mas mais fracos do que os ferromagnéticos. A diferença entre materiais ferro e ferrimagnéticos está relacionada à sua estrutura microscópica, conforme explicado em Magnetismo .
  • Substâncias paramagnéticas , como platina , alumínio e oxigênio , são fracamente atraídas por qualquer um dos pólos de um ímã. Essa atração é centenas de milhares de vezes mais fraca do que a de materiais ferromagnéticos, portanto, só pode ser detectada por meio de instrumentos sensíveis ou ímãs extremamente fortes. Os ferrofluidos magnéticos , embora sejam feitos de minúsculas partículas ferromagnéticas suspensas em um líquido, às vezes são considerados paramagnéticos, uma vez que não podem ser magnetizados.
  • Diamagnético significa repelido por ambos os pólos. Em comparação com as substâncias paramagnéticas e ferromagnéticas, as substâncias diamagnéticas, como carbono , cobre , água e plástico , são ainda mais fracamente repelidas por um ímã. A permeabilidade dos materiais diamagnéticos é menor do que a permeabilidade do vácuo . Todas as substâncias que não possuem um dos outros tipos de magnetismo são diamagnéticas; isso inclui a maioria das substâncias. Embora a força sobre um objeto diamagnético de um ímã comum seja muito fraca para ser sentida, usando ímãs supercondutores extremamente fortes , objetos diamagnéticos como pedaços de chumbo e até mesmo ratos podem ser levitados , então eles flutuam no ar. Supercondutores repelem campos magnéticos de seu interior e são fortemente diamagnéticos.

Existem vários outros tipos de magnetismo, como vidro de spin , superparamagnetismo , superdiamagnetismo e metamagnetismo .

Usos comuns

As unidades de disco rígido gravam dados em um revestimento magnético fino
Separador magnético manual para minerais pesados
  • Mídia de gravação magnética: as fitas VHS contêm um rolo de fita magnética . As informações que compõem o vídeo e o som são codificadas no revestimento magnético da fita. Cassetes de áudio comuns também contam com fita magnética. Da mesma forma, em computadores, disquetes e discos rígidos gravam dados em uma fina camada magnética.
  • Cartões de crédito , débito e caixa eletrônico : todos esses cartões possuem uma fita magnética em um dos lados. Essa faixa codifica as informações para entrar em contato com a instituição financeira de um indivíduo e conectar com sua (s) conta (s).
  • Tipos mais antigos de televisores (não de tela plana) e grandes monitores de computador mais antigos : as telas de TV e computador contendo um tubo de raios catódicos empregam um eletroímã para guiar os elétrons para a tela.
  • Alto - falantes e microfones : a maioria dos alto-falantes emprega um ímã permanente e uma bobina transportadora de corrente para converter energia elétrica (o sinal) em energia mecânica (movimento que cria o som). A bobina é enrolada em torno de uma bobina presa ao cone do alto-falante e carrega o sinal como corrente variável que interage com o campo do ímã permanente. A bobina de voz sente uma força magnética e em resposta, move o cone e pressuriza o ar vizinho, gerando som . Microfones dinâmicos empregam o mesmo conceito, mas ao contrário. Um microfone possui um diafragma ou membrana presa a uma bobina de fio. A bobina fica dentro de um ímã de formato especial. Quando o som vibra na membrana, a bobina também vibra. Conforme a bobina se move através do campo magnético, uma voltagem é induzida através da bobina. Essa tensão impulsiona uma corrente no fio que é característica do som original.
  • Guitarras elétricas usam captadores magnéticos para transduzir a vibração das cordas da guitarra em corrente elétrica que pode então ser amplificada . Isso é diferente do princípio por trás do alto-falante e do microfone dinâmico porque as vibrações são detectadas diretamente pelo ímã e não é utilizado um diafragma. O órgão Hammond usava um princípio semelhante, com rodas giratórias em vez de cordas.
  • Motores e geradores elétricos : Alguns motores elétricos dependem de uma combinação de um eletroímã e um ímã permanente e, assim como os alto-falantes, convertem energia elétrica em energia mecânica. Um gerador é o inverso: ele converte energia mecânica em energia elétrica movendo um condutor através de um campo magnético.
  • Medicina : os hospitais usam imagens de ressonância magnética para detectar problemas nos órgãos de um paciente sem cirurgia invasiva.
  • Química: os químicos usam ressonância magnética nuclear para caracterizar compostos sintetizados.
  • Mandris são usados ​​na área de usinagem para segurar objetos. Os ímãs também são usados ​​em outros tipos de dispositivos de fixação, como a base magnética , a braçadeira magnética e o ímã de geladeira .
  • Bússolas : uma bússola (ou bússola de marinheiro) é um ponteiro magnetizado livre para se alinhar com um campo magnético, mais comumente o campo magnético da Terra .
  • Arte : Folhas de imã de vinil podem ser fixadas em pinturas, fotografias e outros artigos ornamentais, permitindo que sejam fixadas em geladeiras e outras superfícies de metal. Objetos e pinturas podem ser aplicados diretamente na superfície do ímã para criar peças de arte de colagem. A arte magnética é portátil, barata e fácil de criar. A arte magnética de vinil não é mais para a geladeira. Placas magnéticas de metal coloridas, tiras, portas, fornos de microondas, máquinas de lavar louça, carros, vigas de metal I e ​​qualquer superfície de metal podem ser receptivas à arte magnética de vinil. Por ser uma mídia relativamente nova para a arte, os usos criativos desse material estão apenas começando.
  • Projetos de ciência : muitas questões de tópico são baseadas em ímãs, incluindo a repulsão de fios condutores de corrente, o efeito da temperatura e motores envolvendo ímãs.
Os ímãs têm muitos usos em brinquedos . M-tic usa hastes magnéticas conectadas a esferas de metal para construção . Observe o tetraedro geodésico
  • Brinquedos : devido à sua capacidade de neutralizar a força da gravidade de perto, os ímãs são frequentemente empregados em brinquedos infantis, como a Roda Espacial Magnética e o Levitron , para um efeito divertido.
  • Os imãs de geladeira são usados ​​para enfeitar cozinhas, como lembrança ou simplesmente para prender um bilhete ou foto na porta da geladeira.
  • Os ímãs podem ser usados ​​para fazer joias. Os colares e pulseiras podem ter um fecho magnético ou podem ser construídos inteiramente a partir de uma série ligada de ímãs e contas ferrosas.
  • Os ímãs podem pegar itens magnéticos (pregos de ferro, grampos, tachas, clipes de papel) que são muito pequenos, muito difíceis de alcançar ou muito finos para os dedos segurar. Algumas chaves de fenda são magnetizadas para essa finalidade.
  • Os ímãs podem ser usados ​​em operações de sucata e salvamento para separar metais magnéticos (ferro, cobalto e níquel) de metais não magnéticos (alumínio, ligas não ferrosas, etc.). A mesma ideia pode ser usada no chamado "teste magnético", em que uma carroceria é inspecionada com um ímã para detectar áreas reparadas com fibra de vidro ou massa plástica.
  • Os ímãs são encontrados em indústrias de processo, principalmente na fabricação de alimentos, para remover corpos estranhos de metal dos materiais que entram no processo (matérias-primas) ou para detectar uma possível contaminação no final do processo e antes do empacotamento. Eles constituem uma importante camada de proteção para os equipamentos de processo e para o consumidor final.
  • Transporte por levitação magnética, ou maglev , é uma forma de transporte que suspende, guia e impulsiona veículos (principalmente trens) por meio de força eletromagnética. Eliminar a resistência ao rolamento aumenta a eficiência. A velocidade máxima registrada de um trem maglev é 581 quilômetros por hora (361 mph).
  • Os ímãs podem ser usados ​​como um dispositivo à prova de falhas para algumas conexões de cabo. Por exemplo, os cabos de alimentação de alguns laptops são magnéticos para evitar danos acidentais à porta em caso de tropeço. A conexão de alimentação MagSafe ao Apple MacBook é um exemplo.

Questões médicas e segurança

Como os tecidos humanos têm um nível muito baixo de suscetibilidade a campos magnéticos estáticos, há poucas evidências científicas tradicionais mostrando um efeito na saúde associado à exposição a campos estáticos. Os campos magnéticos dinâmicos podem ser um problema diferente, no entanto; correlações entre radiação eletromagnética e taxas de câncer foram postuladas devido a correlações demográficas (consulte Radiação eletromagnética e saúde ).

Se um corpo estranho ferromagnético estiver presente no tecido humano, um campo magnético externo interagindo com ele pode representar um sério risco à segurança.

Existe um tipo diferente de risco magnético indireto à saúde envolvendo marcapassos. Se um marca - passo foi embutido no tórax de um paciente (geralmente com o propósito de monitorar e regular o coração para batimentos eletricamente induzidos estáveis ), deve-se tomar cuidado para mantê-lo longe de campos magnéticos. É por esse motivo que um paciente com o dispositivo instalado não pode ser testado com o uso de um dispositivo de imagem por ressonância magnética.

As crianças às vezes engolem pequenos ímãs de brinquedos e isso pode ser perigoso se dois ou mais ímãs forem engolidos, pois os ímãs podem prender ou perfurar tecidos internos.

Dispositivos de imagem magnética (por exemplo, ressonâncias magnéticas) geram enormes campos magnéticos e, portanto, as salas destinadas a mantê-los excluem metais ferrosos. Trazer objetos feitos de metais ferrosos (como botijões de oxigênio) para dentro de uma sala como essa cria um sério risco à segurança, pois esses objetos podem ser lançados com força por campos magnéticos intensos.

Magnetizando ferromagnetos

Os materiais ferromagnéticos podem ser magnetizados das seguintes maneiras:

  • Aquecer o objeto acima de sua temperatura de Curie , permitindo que ele resfrie em um campo magnético e martelando enquanto ele esfria. Este é o método mais eficaz e é semelhante aos processos industriais usados ​​para criar ímãs permanentes.
  • Colocar o item em um campo magnético externo fará com que o item retenha parte do magnetismo na remoção. Foi demonstrado que a vibração aumenta o efeito. Os materiais ferrosos alinhados com o campo magnético da Terra que estão sujeitos a vibração (por exemplo, a estrutura de um transportador) demonstraram adquirir magnetismo residual significativo. Da mesma forma, bater em um prego de aço seguro pelos dedos na direção NS com um martelo magnetizará temporariamente o prego.
  • Traçar: Um ímã existente é movido de uma extremidade do item para a outra repetidamente na mesma direção ( método de toque único ) ou dois ímãs são movidos para fora do centro de um terceiro ( método de toque duplo ).
  • Corrente elétrica: o campo magnético produzido pela passagem de uma corrente elétrica através de uma bobina pode fazer com que os domínios se alinhem. Uma vez que todos os domínios estejam alinhados, aumentar a corrente não aumentará a magnetização.

Ferromagnetos de desmagnetização

Materiais ferromagnéticos magnetizados podem ser desmagnetizados (ou desmagnetizados) das seguintes maneiras:

  • Aquecer um ímã além de sua temperatura Curie ; o movimento molecular destrói o alinhamento dos domínios magnéticos. Isso sempre remove toda a magnetização.
  • Colocar o ímã em um campo magnético alternado com intensidade acima da coercividade do material e, em seguida, puxar lentamente o ímã para fora ou diminuir lentamente o campo magnético a zero. Este é o princípio usado em desmagnetizadores comerciais para desmagnetizar ferramentas, apagar cartões de crédito, discos rígidos e desmagnetizar bobinas usadas para desmagnetizar CRTs .
  • Alguma desmagnetização ou magnetização reversa ocorrerá se qualquer parte do ímã for submetida a um campo reverso acima da coercividade do material magnético .
  • A desmagnetização ocorre progressivamente se o ímã é submetido a campos cíclicos suficientes para mover o ímã para longe da parte linear no segundo quadrante da curva B – H do material magnético (a curva de desmagnetização).
  • Martelo ou choque: a perturbação mecânica tende a randomizar os domínios magnéticos e reduzir a magnetização de um objeto, mas pode causar danos inaceitáveis.

Tipos de ímãs permanentes

Uma pilha de ímãs de ferrite

Elementos metálicos magnéticos

Muitos materiais têm spins de elétrons desemparelhados e a maioria desses materiais são paramagnéticos . Quando os spins interagem entre si de tal forma que os spins se alinham espontaneamente, os materiais são chamados de ferromagnéticos (o que muitas vezes é denominado vagamente como magnético). Devido à forma como sua estrutura atômica cristalina regular faz com que seus spins interajam, alguns metais são ferromagnéticos quando encontrados em seus estados naturais, como minérios . Estes incluem minério de ferro ( magnetita ou magnetita ), cobalto e níquel , bem como os metais de terras raras gadolínio e disprósio (quando em temperatura muito baixa). Esses ferromagnetos de ocorrência natural foram usados ​​nos primeiros experimentos com magnetismo. Desde então, a tecnologia expandiu a disponibilidade de materiais magnéticos para incluir vários produtos feitos pelo homem, todos baseados, entretanto, em elementos magnéticos naturais.

Compósitos

Ímãs de cerâmica ou ferrita são feitos de um composto sinterizado de óxido de ferro em pó e cerâmica de carbonato de bário / estrôncio . Dado o baixo custo dos materiais e métodos de fabricação, ímãs baratos (ou núcleos ferromagnéticos não magnetizados, para uso em componentes eletrônicos , como antenas de rádio AM portáteis ) de vários formatos podem ser facilmente produzidos em massa. Os ímãs resultantes não são corrosivos, mas frágeis e devem ser tratados como outras cerâmicas.

Os ímãs de alnico são feitos fundindo ou sinterizando uma combinação de alumínio , níquel e cobalto com ferro e pequenas quantidades de outros elementos adicionados para melhorar as propriedades do ímã. A sinterização oferece características mecânicas superiores, enquanto a fundição oferece campos magnéticos mais elevados e permite o design de formas complexas. Os ímãs de Alnico resistem à corrosão e têm propriedades físicas mais tolerantes do que a ferrita, mas não tão desejáveis ​​quanto um metal. Os nomes comerciais das ligas desta família incluem: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax e Ticonal .

Os ímãs moldados por injeção são um composto de vários tipos de resina e pós magnéticos, permitindo que peças de formas complexas sejam fabricadas por moldagem por injeção. As propriedades físicas e magnéticas do produto dependem das matérias-primas, mas geralmente são mais baixas em força magnética e se assemelham aos plásticos em suas propriedades físicas.

Os ímãs flexíveis são compostos de um composto ferromagnético de alta coercividade (geralmente óxido férrico ) misturado com um aglutinante de plástico. Este é extrudado como uma folha e passado por uma linha de poderosos ímãs cilíndricos permanentes. Esses ímãs são dispostos em uma pilha com pólos magnéticos alternados voltados para cima (N, S, N, S ...) em um eixo rotativo. Isso impressiona a folha de plástico com os pólos magnéticos em um formato de linha alternada. Nenhum eletromagnetismo é usado para gerar os ímãs. A distância pólo a pólo é da ordem de 5 mm, mas varia de acordo com o fabricante. Esses ímãs são mais baixos em força magnética, mas podem ser muito flexíveis, dependendo do aglutinante usado.

Ímãs de terras raras

Ímãs em forma de ovoide (possivelmente hematina ), um pendurado no outro

Os elementos de terra rara ( lantanóide ) têm uma camada de elétrons f parcialmente ocupada (que pode acomodar até 14 elétrons). O spin desses elétrons pode ser alinhado, resultando em campos magnéticos muito fortes e, portanto, esses elementos são usados ​​em ímãs compactos de alta resistência, onde seu preço mais alto não é uma preocupação. Os tipos mais comuns de ímãs de terras raras são os ímãs de samário-cobalto e neodímio-ferro-boro (NIB) .

Ímãs de molécula única (SMMs) e ímãs de cadeia única (SCMs)

Na década de 1990, foi descoberto que certas moléculas contendo íons metálicos paramagnéticos são capazes de armazenar um momento magnético em temperaturas muito baixas. Eles são muito diferentes dos ímãs convencionais que armazenam informações em um nível de domínio magnético e, teoricamente, podem fornecer um meio de armazenamento muito mais denso do que os ímãs convencionais. Nesse sentido, pesquisas sobre monocamadas de SMMs estão em andamento. Muito resumidamente, os dois principais atributos de um SMM são:

  1. um grande valor de spin de estado fundamental ( S ), que é fornecido por acoplamento ferromagnético ou ferrimagnético entre os centros de metal paramagnético
  2. um valor negativo da anisotropia da divisão de campo zero ( D )

A maioria dos SMMs contém manganês, mas também podem ser encontrados com aglomerados de vanádio, ferro, níquel e cobalto. Mais recentemente, descobriu-se que alguns sistemas de cadeia também podem exibir uma magnetização que persiste por muito tempo em temperaturas mais altas. Esses sistemas são chamados de ímãs de cadeia única.

Ímãs nanoestruturados

Alguns materiais nanoestruturados exibem ondas de energia , chamadas magnons , que se aglutinam em um estado fundamental comum na forma de um condensado de Bose-Einstein .

Ímãs permanentes sem terras raras

O Departamento de Energia dos Estados Unidos identificou a necessidade de encontrar substitutos para metais de terras raras na tecnologia de ímãs permanentes e começou a financiar essa pesquisa. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada-Energia (ARPA-E) patrocinou um programa de Alternativas de Terras Raras em Tecnologias Críticas (REACT) para desenvolver materiais alternativos. Em 2011, o ARPA-E concedeu 31,6 milhões de dólares para financiar projetos de substitutos de terras raras.

Custos

Os atuais ímãs permanentes mais baratos, permitindo intensidades de campo, são ímãs flexíveis e de cerâmica, mas também estão entre os tipos mais fracos. Os ímãs de ferrite são principalmente ímãs de baixo custo, uma vez que são feitos de matérias-primas baratas: óxido de ferro e carbonato de Ba ou Sr. No entanto, um novo ímã de baixo custo, liga de Mn-Al, foi desenvolvido e agora está dominando o campo de ímãs de baixo custo. Possui uma magnetização de saturação maior do que os ímãs de ferrite. Ele também tem coeficientes de temperatura mais favoráveis, embora possa ser termicamente instável. Os ímãs de neodímio-ferro-boro (NIB) estão entre os mais fortes. Estes custam mais por quilograma do que a maioria dos outros materiais magnéticos, mas, devido ao seu campo intenso, são menores e mais baratos em muitas aplicações.

Temperatura

A sensibilidade à temperatura varia, mas quando um ímã é aquecido a uma temperatura conhecida como ponto Curie , ele perde todo o seu magnetismo, mesmo após resfriar abaixo dessa temperatura. Os ímãs podem frequentemente ser remagnetizados, no entanto.

Além disso, alguns ímãs são frágeis e podem quebrar em altas temperaturas.

A temperatura máxima utilizável é mais alta para ímãs de alnico acima de 540 ° C (1.000 ° F), cerca de 300 ° C (570 ° F) para ferrita e SmCo, cerca de 140 ° C (280 ° F) para NIB e inferior para cerâmicas flexíveis , mas os números exatos dependem da qualidade do material.

Eletroímãs

Um eletroímã, em sua forma mais simples, é um fio enrolado em uma ou mais voltas, conhecido como solenóide . Quando a corrente elétrica flui pelo fio, um campo magnético é gerado. Ele está concentrado próximo (e especialmente dentro) da bobina, e suas linhas de campo são muito semelhantes às de um ímã. A orientação deste ímã efetivo é determinada pela regra da mão direita . O momento magnético e o campo magnético do eletroímã são proporcionais ao número de voltas do fio, à seção transversal de cada volta e à corrente que passa pelo fio.

Se a bobina de fio for enrolada em um material sem propriedades magnéticas especiais (por exemplo, papelão), ela tenderá a gerar um campo muito fraco. No entanto, se for enrolado em um material ferromagnético macio, como um prego de ferro, o campo resultante pode resultar em um aumento de várias centenas a milhares de vezes na intensidade do campo.

Os usos dos eletroímãs incluem aceleradores de partículas , motores elétricos , guindastes de ferro-velho e máquinas de ressonância magnética . Algumas aplicações envolvem configurações mais do que um simples dipolo magnético; por exemplo, ímãs quadrupolo e sextupolo são usados ​​para focalizar feixes de partículas .

Unidades e cálculos

Para a maioria das aplicações de engenharia, unidades MKS (racionalizadas) ou SI (Système International) são comumente usadas. Dois outros conjuntos de unidades, Gaussiano e CGS-EMU , são iguais para propriedades magnéticas e são comumente usados ​​em física.

Em todas as unidades, é conveniente empregar dois tipos de campo magnético, B e H , bem como a magnetização M , definida como o momento magnético por unidade de volume.

  1. O campo de indução magnética B é dado em unidades SI de teslas (T). B é o campo magnético cuja variação no tempo produz, pela Lei de Faraday, campos elétricos circulantes (que as empresas de energia vendem). B também produz uma força de deflexão ao mover partículas carregadas (como nos tubos de TV). O tesla é equivalente ao fluxo magnético (em webers) por unidade de área (em metros ao quadrado), dando assim a B a unidade de densidade de fluxo. No CGS, a unidade de B é o gauss (G). Um tesla é igual a 10 4  G.
  2. O campo magnético H é dado em unidades SI de amperes-voltas por metro (A-volta / m). As espiras aparecem porque quando H é produzido por um fio condutor de corrente, seu valor é proporcional ao número de espiras desse fio. No CGS, a unidade de H é o oersted (Oe). Uma volta A / m é igual a 4π × 10 −3 Oe.
  3. A magnetização M é dada em unidades SI de amperes por metro (A / m). No CGS, a unidade de M é o oersted (Oe). Um A / m é igual a 10 −3  emu / cm 3 . Um bom ímã permanente pode ter uma magnetização tão grande quanto um milhão de amperes por metro.
  4. Em unidades do SI, a relação B  = μ 0 ( H  +  M ) se mantém, onde μ 0 é a permeabilidade do espaço, que é igual a 4π × 10 −7  T • m / A. Em CGS, é escrito como B  = H  + 4π M . (A abordagem do pólo fornece μ 0 H em unidades SI. Um termo μ 0 M em SI deve então complementar este μ 0 H para fornecer o campo correto dentro de B , o ímã. Ele concordará com o campo B calculado usando correntes Ampèrianas).

Materiais que não são ímãs permanentes geralmente satisfazem a relação M  = χ H em SI, onde χ é a susceptibilidade magnética (adimensional). A maioria dos materiais não magnéticos tem um χ relativamente pequeno (da ordem de um milionésimo), mas os ímãs macios podem ter χ da ordem de centenas ou milhares. Para materiais que satisfaçam M  = χ H , também podemos escrever B  = μ 0 (1 +  χ ) H  = μ 0 μ r H  = μ H , onde μ r  = 1 +  χ é a permeabilidade relativa (adimensional) e μ = μ 0 μ r é a permeabilidade magnética. Ambos os imans duros e macios têm uma forma mais complexa, dependente da história, comportamento descrito pelo que são chamados laços de histerese , que dão quer B contra H ou M vs. H . Em CGS, M  = χ H , mas χ SI  = 4 πχ CGS e μ = μ r .

Cuidado: em parte porque não há símbolos romanos e gregos suficientes, não há um símbolo comum para a força do pólo magnético e o momento magnético. O símbolo m foi usado tanto para a força do pólo (unidade A • m, onde aqui o m vertical é para o metro) e para o momento magnético (unidade A • m 2 ). O símbolo μ tem sido usado em alguns textos para permeabilidade magnética e em outros textos para momento magnético. Usaremos μ para a permeabilidade magnética e m para momento magnético. Para força do pólo, vamos empregar q m . Para uma barra magnética de seção transversal A com magnetização uniforme M ao longo de seu eixo, a força do pólo é dada por q m  = MA , de modo que M pode ser pensado como uma força do pólo por unidade de área.

Campos de um ímã

Linhas de campo de ímãs cilíndricos com várias relações de aspecto

Longe de um ímã, o campo magnético criado por esse ímã quase sempre é descrito (com uma boa aproximação) por um campo dipolo caracterizado por seu momento magnético total. Isso é verdade independentemente da forma do ímã, desde que o momento magnético seja diferente de zero. Uma característica de um campo dipolo é que a intensidade do campo cai inversamente com o cubo da distância do centro do ímã.

Mais perto do ímã, o campo magnético se torna mais complicado e mais dependente da forma detalhada e da magnetização do ímã. Formalmente, o campo pode ser expresso como uma expansão multipolo : um campo dipolo, mais um campo quadrupolo , mais um campo octupolo, etc.

De perto, muitos campos diferentes são possíveis. Por exemplo, para uma barra magnética longa e estreita com seu pólo norte em uma extremidade e o pólo sul na outra, o campo magnético próximo a cada extremidade cai inversamente com o quadrado da distância desse pólo.

Calculando a força magnética

Força de tração de um único ímã

A força de um determinado ímã às vezes é dada em termos de sua força de atração - sua capacidade de puxar objetos ferromagnéticos . A força de tração exercida por um eletroímã ou um ímã permanente sem entreferro (ou seja, o objeto ferromagnético está em contato direto com o pólo do ímã) é dada pela equação de Maxwell :

,

Onde

F é a força (unidade SI: newton )
A é a seção transversal da área do pólo em metros quadrados
B é a indução magnética exercida pelo ímã

Este resultado pode ser facilmente derivado usando o modelo de Gilbert , que assume que o pólo do ímã está carregado com monopólos magnéticos que induzem o mesmo no objeto ferromagnético.

Se um ímã está agindo verticalmente, ele pode levantar uma massa m em quilogramas dada pela equação simples:

onde g é a aceleração gravitacional .

Força entre dois pólos magnéticos

Classicamente , a força entre dois pólos magnéticos é dada por:

Onde

F é a força (unidade SI: newton )
q m 1 e q m 2 são as magnitudes dos pólos magnéticos (unidade SI: amperímetro )
μ é a permeabilidade do meio interveniente (unidade SI: tesla metro por ampere , Henry por metro ou newton por ampere ao quadrado)
r é a separação (unidade SI: metro).

A descrição do pólo é útil para os engenheiros que projetam ímãs do mundo real, mas os ímãs reais têm uma distribuição de pólo mais complexa do que um único norte e sul. Portanto, a implementação da ideia do pólo não é simples. Em alguns casos, uma das fórmulas mais complexas fornecidas a seguir será mais útil.

Força entre duas superfícies magnetizadas próximas da área A

A força mecânica entre duas superfícies magnetizadas próximas pode ser calculada com a seguinte equação. A equação é válida apenas para casos em que o efeito de franja é desprezível e o volume do entreferro é muito menor do que o do material magnetizado:

Onde:

A é a área de cada superfície, em m 2
H é o seu campo de magnetização, em A / m
μ 0 é a permeabilidade do espaço, que é igual a 4π × 10 −7  T • m / A
B é a densidade de fluxo, em T.

Força entre duas barras magnéticas

A força entre dois ímãs em barra cilíndrica idênticos colocados ponta a ponta a uma grande distância é de aproximadamente :,

Onde:

B 0 é a densidade do fluxo magnético muito perto de cada pólo, em T,
A é a área de cada pólo, em m 2 ,
L é o comprimento de cada ímã, em m,
R é o raio de cada ímã, em m, e
z é a separação entre os dois ímãs, em m.
relaciona a densidade de fluxo no pólo à magnetização do ímã.

Observe que todas essas formulações são baseadas no modelo de Gilbert, que pode ser usado em distâncias relativamente grandes. Em outros modelos (por exemplo, o modelo de Ampère), uma formulação mais complicada é usada que às vezes não pode ser resolvida analiticamente. Nestes casos, métodos numéricos devem ser usados.

Força entre dois ímãs cilíndricos

Para dois ímãs cilíndricos com raio e comprimento , com seu dipolo magnético alinhado, a força pode ser assintoticamente aproximada a grande distância por,

onde está a magnetização dos ímãs e é a lacuna entre os ímãs. Uma medição da densidade do fluxo magnético muito perto do ímã está relacionada a aproximadamente pela fórmula

O dipolo magnético efetivo pode ser escrito como

Onde está o volume do ímã. Para um cilindro, isso é .

Quando , a aproximação de dipolo pontual é obtida,

que corresponde à expressão da força entre dois dipolos magnéticos.

Veja também

Notas

Referências

  • "A história inicial do ímã permanente". Edward Neville Da Costa Andrade, Endeavor, Volume 17, Número 65, janeiro de 1958. Contém uma excelente descrição dos primeiros métodos de produção de ímãs permanentes.
  • "pólo positivo n". O Concise Oxford English Dictionary . Catherine Soanes e Angus Stevenson. Oxford University Press , 2004. Oxford Reference Online. Imprensa da Universidade de Oxford.
  • Wayne M. Saslow, Electricity, Magnetism, and Light , Academic (2002). ISBN  0-12-619455-6 . O Capítulo 9 discute os ímãs e seus campos magnéticos usando o conceito de pólos magnéticos, mas também fornece evidências de que os pólos magnéticos não existem realmente na matéria comum. Os capítulos 10 e 11, seguindo o que parece ser uma abordagem do século 19, usam o conceito de pólo para obter as leis que descrevem o magnetismo das correntes elétricas.
  • Edward P. Furlani, Ímã Permanente e Dispositivos Eletromecânicos: Materiais, Análise e Aplicações, Academic Press Series in Electromagnetism (2001). ISBN  0-12-269951-3 .

links externos