Precisa separar alguma sucata? Eletroímãs ao resgate! Aqui, um eletroímã é usado para pegar alguns dos aproximadamente 3, 500 armas confiscadas para serem derretidas. David McNew / Getty Images p O que significa um pátio de demolição, um show de rock e sua porta da frente têm em comum? Cada um deles usa eletroímãs , dispositivos que criam um campo magnético por meio da aplicação de eletricidade. Os pátios de demolição empregam eletroímãs extremamente poderosos para mover peças pesadas de sucata ou mesmo carros inteiros de um lugar para outro. Sua banda favorita usa eletroímãs para amplificar o som que sai dos alto-falantes. E quando alguém toca sua campainha, um minúsculo eletroímã puxa um badalo de metal contra um sino.
p Mecanicamente, um eletroímã é muito simples. Consiste em um comprimento de fio condutor, geralmente cobre, enrolado em um pedaço de metal. Como o monstro de Frankenstein, isso parece pouco mais do que uma coleção solta de peças até que a eletricidade entre em cena. Mas você não precisa esperar por uma tempestade para dar vida a um eletroímã. Uma corrente é introduzida, de uma bateria ou de outra fonte de eletricidade, e flui através do fio. Isso cria um campo magnético em torno do fio enrolado, magnetizando o metal como se fosse um ímã permanente. Os eletroímãs são úteis porque você pode ligar e desligar o ímã completando ou interrompendo o circuito, respectivamente.
p Antes de irmos muito mais longe, devemos discutir como os eletroímãs diferem de seus ímãs "permanentes" comuns, como aqueles segurando sua arte de picolé na geladeira. Como você sabe, ímãs têm dois pólos, "norte e Sul, "e atrair coisas feitas de aço, ferro ou alguma combinação destes. Os pólos semelhantes se repelem e os opostos se atraem (ah, a intersecção do romance e da física). Por exemplo, se você tiver duas barras magnéticas com as extremidades marcadas "norte" e "sul, "a extremidade norte de um ímã atrairá a extremidade sul do outro. Por outro lado, a extremidade norte de um ímã repelirá a extremidade norte do outro (e da mesma forma, o sul repelirá o sul). Um eletroímã é da mesma forma, exceto que é "temporário" - o campo magnético só existe quando a corrente elétrica está fluindo. p A campainha é um bom exemplo de como os eletroímãs podem ser usados em aplicações onde os ímãs permanentes simplesmente não fariam sentido. Quando um convidado aperta o botão da sua porta, o circuito eletrônico dentro da campainha fecha um circuito elétrico, o que significa que o circuito está concluído e "ligado". O circuito fechado permite que a eletricidade flua, criando um campo magnético e fazendo com que o badalo fique magnetizado. O hardware da maioria das campainhas tradicionais consiste em uma campainha e badalo de metal que, quando a atração magnética faz com que eles batam juntos, você ouve o carrilhão dentro. O sino toca, o convidado solta o botão, o circuito se abre e a campainha pára de tocar infernal. Esse magnetismo sob demanda é o que torna o eletroímã tão útil. p Neste artigo, vamos dar uma olhada mais de perto nos eletroímãs e descobrir como esses dispositivos pegam alguma ciência muito legal e a aplicam a aparelhos ao nosso redor que tornam nossas vidas mais fáceis.
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O grande eletroímã em forma de ferradura usado pelo físico e químico inglês Michael Faraday, por volta de 1830. Stringer / Hulton Archive / Getty Images p A relação entre eletricidade e magnetismo não foi completamente estudada até 1873, quando o físico James Maxwell observaram a interação entre cargas elétricas positivas e negativas [fonte:Mahon]. Por meio de experimentação contínua, Maxwell determinou que essas cargas se atraem ou se repelem com base em sua orientação. Ele também foi o primeiro a descobrir que os ímãs têm pólos, ou pontos individuais onde a carga está focada. E, importante para o eletromagnetismo, Maxwell observou que quando uma corrente passa por um fio, ele gera um campo magnético ao redor do fio.
p O trabalho de Maxwell foi responsável por muitos dos princípios científicos em funcionamento, mas ele não foi o primeiro cientista a fazer experiências com eletricidade e magnetismo. Quase 50 anos antes, Hans Christian Oersted descobriu que uma bússola que estava usando reagia quando uma bateria em seu laboratório era ligada e desligada [fonte:Gregory]. Isso só aconteceria se houvesse um campo magnético presente para interferir com a agulha da bússola, então ele deduziu que um campo magnético foi gerado a partir da eletricidade que flui da bateria. Mas Oersted gravitou em torno do campo da química e deixou a pesquisa de eletricidade e magnetismo para outros [fonte:Mahon].
p O avô do eletromagnetismo é Michael Faraday , um químico e físico que arquitetou muitas das teorias posteriormente desenvolvidas por Maxwell. Uma razão pela qual Faraday é muito mais proeminente na história do que Maxwell ou Oersted é provavelmente devido a ele ser um pesquisador e inventor tão prolífico. Ele é amplamente considerado um pioneiro do eletromagnetismo, mas ele também é creditado com a descoberta da indução eletromagnética, que discutiremos mais tarde, quando explorarmos alguns aplicativos do mundo real. Faraday também inventou o motor elétrico, e além de seu trabalho influente na física, ele também foi a primeira pessoa a ser nomeada para o prestigioso cargo de Professor Fullerian de Química na Royal Institution of Great Britain. Não é muito pobre. p Então, o que o trabalho desses homens descobriu? Na próxima seção, veremos como funcionam os eletroímãs.
Este diagrama mostra um eletroímã simples. Como as coisas funcionam p Como mencionamos na introdução, eletroímãs básicos não são tão complicados; você mesmo pode construir um simples usando materiais que provavelmente tem espalhados pela casa. Um fio condutor, cobre geralmente isolado, é enrolado em torno de uma haste de metal. O fio ficará quente ao toque, razão pela qual o isolamento é importante. A haste na qual o fio é enrolado é chamada de solenóide , e o campo magnético resultante irradia para longe deste ponto. A força do ímã está diretamente relacionada ao número de vezes que o fio se enrola ao redor da haste. Para um campo magnético mais forte, o fio deve ser enrolado com mais força.
p OK, há um pouco mais do que isso. Quanto mais apertado o fio é enrolado em torno da haste, ou núcleo, quanto mais voltas a corrente faz em torno dele, aumentando a força do campo magnético. Além de quão firmemente o fio é enrolado, o material usado para o núcleo também pode controlar a força do ímã. Por exemplo, ferro é um ferromagnético metal, o que significa que é altamente permeável [fonte:Boston University]. Permeabilidade é outra maneira de descrever o quão bem o material pode suportar um campo magnético. Quanto mais condutor é um determinado material para um campo magnético, quanto maior sua permeabilidade.
p Tudo importa, incluindo a barra de ferro de um eletroímã, é composto de átomos. Antes que o solenóide seja eletrificado, os átomos no núcleo de metal são dispostos aleatoriamente, não apontando em nenhuma direção particular. Quando a corrente é introduzida, o campo magnético penetra na haste e realinha os átomos. Com esses átomos em movimento, e tudo na mesma direção, o campo magnético cresce. O alinhamento dos átomos, pequenas regiões de átomos magnetizados chamados domínios , aumenta e diminui com o nível de corrente, então, controlando o fluxo de eletricidade, você pode controlar a força do ímã. Chega um ponto de saturação quando todos os domínios estão alinhados, o que significa que adicionar corrente adicional não resultará em aumento do magnetismo. p Ao controlar a corrente, você pode essencialmente ligar e desligar o ímã. Quando a corrente é desligada, os átomos voltam ao seu natural, estado aleatório e a haste perde seu magnetismo (tecnicamente, retém algumas propriedades magnéticas, mas não muito e não por muito tempo). p Com um ímã permanente comum, como aqueles segurando a foto do cachorro da família na geladeira, os átomos estão sempre alinhados e a força do ímã é constante. Você sabia que pode eliminar o poder de aderência de um ímã permanente largando-o? O impacto pode realmente fazer com que os átomos saiam do alinhamento. Eles podem ser magnetizados novamente esfregando um ímã sobre eles. p A eletricidade para alimentar um eletroímã precisa vir de algum lugar, direito? Na próxima seção, vamos explorar algumas das maneiras como esses ímãs obtêm seu suco.
Aqui está a aparência dos campos magnéticos em um eletroímã básico. Hemera / Thinkstock p Uma vez que uma corrente elétrica é necessária para operar um eletroímã, de onde isso vem? A resposta rápida é que qualquer coisa que produza uma corrente pode alimentar um eletroímã. Desde as pequenas pilhas AA usadas no controle remoto da TV até as grandes, estações de energia industriais que puxam eletricidade diretamente de uma rede, se ele armazena e transfere elétrons, então ele pode alimentar um eletroímã.
p Vamos começar dando uma olhada em como funcionam as baterias domésticas. A maioria das baterias tem dois pólos facilmente identificáveis, um positivo e um negativo. Quando a bateria não está em uso, elétrons se acumulam no pólo negativo. Quando as baterias são inseridas em um dispositivo, os dois pólos entram em contato com os sensores do dispositivo, fechando o circuito e permitindo que os elétrons fluam livremente entre os pólos. No caso do seu controle remoto, o dispositivo é projetado com um carga , ou ponto de saída, pela energia armazenada na bateria [fonte:Grossman]. A carga coloca a energia para usar operando o controle remoto. Se você simplesmente conectasse um fio diretamente a cada extremidade de uma bateria sem carga, a energia seria drenada rapidamente da bateria.
p Enquanto isso está acontecendo, os elétrons em movimento também criam um campo magnético. Se você tirar as pilhas do controle remoto, provavelmente reterá uma pequena carga magnética. Você não conseguia pegar um carro com o controle remoto, mas talvez algumas pequenas limalhas de ferro ou mesmo um clipe de papel. p Na outra extremidade do espectro está a própria Terra. Pela definição que discutimos anteriormente, um eletroímã é criado quando correntes elétricas fluem em torno de algum núcleo ferromagnético. O núcleo da Terra é de ferro, e sabemos que tem um pólo norte e um pólo sul. Estas não são apenas designações geográficas, mas verdadeiros pólos magnéticos opostos. O efeito dínamo , um fenômeno que cria correntes elétricas massivas no ferro graças ao movimento do ferro líquido através do núcleo externo, cria uma corrente elétrica. Esta corrente gera uma carga magnética, e esse magnetismo natural da Terra é o que faz uma bússola funcionar. Uma bússola sempre aponta para o norte porque a agulha de metal é atraída pela força do Pólo Norte. p Claramente, há uma ampla gama de aplicações de eletroímãs entre pequenas, experimentos científicos caseiros e a própria Terra. Então, onde esses dispositivos aparecem no mundo real? Na próxima seção, veremos como nossa vida cotidiana é afetada pelo eletromagnetismo.
O eletroímã no Large Hadron Collider (LHC) tem a forma de uma mandíbula gigantesca. Consiste em duas bobinas de 27 toneladas (24 toneladas métricas), instalado em um 1, 450 ton (1, 315 toneladas métricas) culatra. Francis DEMANGE / Getty Images p Muitos eletroímãs têm uma vantagem sobre os ímãs permanentes porque podem ser facilmente ligados e desligados, e aumentar ou diminuir a quantidade de eletricidade que flui ao redor do núcleo pode controlar sua força.
p A tecnologia moderna depende fortemente de eletroímãs para armazenar informações usando dispositivos de gravação magnética. Quando você salva dados em um disco rígido de computador tradicional, por exemplo, pequeno, pedaços de metal magnetizados são embutidos em um disco em um padrão específico para as informações salvas. Esses dados começaram a vida como linguagem de computador digital binária (0s e 1s). Quando você recupera essas informações, o padrão é convertido no padrão binário original e traduzido em uma forma utilizável. Então, o que torna isso um eletroímã? A corrente que passa pelos circuitos do computador magnetiza esses minúsculos pedaços de metal. Este é o mesmo princípio usado em gravadores, VCRs e outras mídias baseadas em fita (e sim, alguns de vocês ainda possuem toca-fitas e videocassetes). É por isso que os ímãs às vezes podem causar estragos nas memórias desses dispositivos.
p Você pode usar eletromagnetismo todos os dias se carregar um telefone ou tablet sem fio. A almofada de carga cria um campo magnético. Seu telefone tem uma antena que sincroniza com o carregador, permitindo que uma corrente flua. Como você pode imaginar, as bobinas eletromagnéticas dentro de dispositivos como estes são pequenas, mas bobinas maiores podem carregar dispositivos maiores, como carros elétricos. p Os eletroímãs também abriram caminho para realmente aproveitar o potencial da eletricidade. Em aparelhos elétricos, o motor se move porque a corrente que flui da tomada da parede produz um campo magnético. Não é a própria eletricidade que alimenta o motor, mas a carga criada pelo ímã. A força do ímã cria movimento rotacional, o que significa que eles giram em torno de um ponto fixo, semelhante à forma como um pneu gira em torno de um eixo. p Então, por que não pular este processo e apenas usar a tomada para alimentar o motor em primeiro lugar? Porque a corrente necessária para alimentar um aparelho é muito grande. Você já percebeu como ligar um grande eletrodoméstico, como uma televisão ou uma máquina de lavar, às vezes pode fazer com que as luzes da sua casa pisquem? Isso ocorre porque o aparelho está consumindo muita energia inicialmente, mas essa grande quantidade só é necessária para dar partida no motor. Assim que isso acontecer, este ciclo de Indução eletromagnética assume. p De eletrodomésticos, estamos avançando para algumas das máquinas mais complexas já construídas para ver como os eletroímãs estão sendo usados para desvendar as origens do universo. Aceleradores de partículas são máquinas que impulsionam partículas carregadas em direção umas às outras em velocidades incrivelmente altas para observar o que acontece quando elas colidem. Esses feixes de partículas subatômicas são muito precisos e controlar sua trajetória é fundamental para que não saiam do curso e danifiquem o maquinário. É aqui que entram os eletroímãs. Os ímãs são posicionados ao longo do caminho dos feixes em colisão, e seu magnetismo é realmente usado para controlar sua velocidade e trajetória [fonte:NOVA Teachers]. p Não é um currículo ruim para nosso amigo eletroímã, Hã? Desde algo que você pode criar em sua garagem até operar as ferramentas que cientistas e engenheiros estão usando para decifrar as origens do universo, os eletroímãs têm um papel muito importante no mundo ao nosso redor. p Pronto para fazer seus próprios experimentos eletromagnéticos? Leia algumas ideias divertidas.
p Não se cansa de experimentos eletromagnéticos práticos? Temos mais algumas ideias para você experimentar:
Publicado originalmente em:1º de abril de 2000
