Limalhas de ferro mostram lindamente os campos opostos dos mesmos pólos de duas barras magnéticas. Spencer Grant / Photographer's Choice RF / Getty Images Tudo começou quando fomos comprar um ímã para uma demonstração de armadura líquida. Queríamos mostrar que um campo magnético pode fazer com que certos líquidos se comportem como sólidos. Junto com as placas de Petri e limalhas de ferro de que precisávamos, o catálogo da Steve Spangler Science tinha um ímã de neodímio que ele descreveu como "super forte". Pedimos nossos suprimentos, na esperança de que o ímã fosse poderoso o suficiente para criar um efeito que pudéssemos capturar em filme.
O ímã não apenas transformou nosso fluido de ferro e óleo em um sólido - às vezes, sua atração pelo fluido rachou a placa de Petri que o segurava. Uma vez, o ímã voou inesperadamente da mão de um cinegrafista e caiu em um prato cheio de limalhas secas, que exigiu considerável engenhosidade para remover. Ele também se aderiu tão firmemente à parte de baixo de uma mesa de metal que tivemos que usar um alicate de segurança para retirá-lo. Quando decidimos que seria mais seguro manter o ímã no bolso entre as tomadas, as pessoas ficaram momentaneamente presas à mesa, uma escada e a porta do estúdio.
No escritório, o ímã tornou-se objeto de curiosidade e objeto de experimentos improvisados. Sua força fantástica e sua tendência de pular repentina e ruidosamente das garras incautas para a superfície de metal mais próxima nos fizeram pensar. Todos nós sabíamos o básico sobre ímãs e magnetismo - ímãs atraem metais específicos, e eles têm norte e sul pólos . Os pólos opostos se atraem, enquanto os pólos semelhantes se repelem. Os campos magnéticos e elétricos estão relacionados, e magnetismo, junto com a gravidade e as forças atômicas fortes e fracas, é uma das quatro forças fundamentais do universo.
Mas nenhum desses fatos levou a uma resposta à nossa pergunta mais básica. O que exatamente faz um ímã grudar em certos metais? Por extensão, por que eles não se prendem a outros metais? Por que eles se atraem ou se repelem, dependendo de seu posicionamento? E o que torna os ímãs de neodímio tão mais fortes do que os ímãs de cerâmica com os quais brincávamos quando crianças?
A limalha de ferro (direita) se alinha ao longo das linhas do campo magnético de um ímã de neodímio cilíndrico. Para entender as respostas a essas perguntas, ajuda ter uma definição básica de um ímã. Ímãs são objetos que produzem Campos magnéticos e atrair metais como o ferro, níquel e cobalto. O campo magnético linhas de força saia do ímã de seu pólo norte e entre em seu pólo sul. Permanente ou duro ímãs criam seu próprio campo magnético o tempo todo. Temporário ou suave ímãs produzem campos magnéticos enquanto na presença de um campo magnético e por um curto período após sair do campo. Eletroímãs produzem campos magnéticos apenas quando a eletricidade viaja através de suas bobinas de fio.
Limalhas de ferro (direita) se alinham ao longo das linhas do campo magnético de um ímã de neodímio cúbico. Até recentemente, todos os ímãs foram feitos de metal elementos ou ligas . Esses materiais produziram ímãs de diferentes intensidades. Por exemplo:
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Muitos dos dispositivos eletrônicos atuais requerem ímãs para funcionar. Essa dependência de ímãs é relativamente recente, principalmente porque a maioria dos dispositivos modernos requer ímãs mais fortes do que os encontrados na natureza. Lodestone , uma forma de magnetita , é o ímã mais forte que ocorre naturalmente. Pode atrair pequenos objetos, como clipes de papel e grampos.
No século 12, pessoas descobriram que podiam usar magnetita para magnetizar pedaços de ferro, criando um bússola . Esfregar repetidamente o ímã ao longo de uma agulha de ferro em uma direção magnetizou a agulha. Ele então se alinharia na direção norte-sul quando suspenso. Eventualmente, O cientista William Gilbert explicou que esse alinhamento norte-sul de agulhas magnetizadas foi devido ao comportamento da Terra como um enorme ímã com pólos norte e sul.
Uma agulha de bússola não é tão forte quanto muitos dos ímãs permanentes usados hoje. Mas o processo físico que magnetiza as agulhas da bússola e os pedaços de liga de neodímio é essencialmente o mesmo. Baseia-se em regiões microscópicas conhecidas como domínios magnéticos , que fazem parte da estrutura física de materiais ferromagnéticos , como ferro, cobalto e níquel. Cada domínio é essencialmente minúsculo, ímã autônomo com um pólo norte e um pólo sul. Em um material ferromagnético não magnetizado, cada um dos pólos norte aponta em uma direção aleatória. Domínios magnéticos que são orientados em direções opostas se cancelam, portanto, o material não produz um campo magnético líquido.
Em um material ferromagnético não magnetizado, domínios apontam em direções aleatórias. Em ímãs, por outro lado, a maioria ou todos os domínios magnéticos apontam na mesma direção. Em vez de cancelar um ao outro, os campos magnéticos microscópicos se combinam para criar um grande campo magnético. Quanto mais domínios apontam para a mesma direção, mais forte é o campo geral. O campo magnético de cada domínio se estende de seu pólo norte ao pólo sul do domínio à frente dele.
Em um ímã, a maioria ou todos os domínios apontam na mesma direção. Isso explica por que quebrar um ímã ao meio cria dois ímãs menores com os pólos norte e sul. Também explica por que pólos opostos se atraem - as linhas de campo deixam o pólo norte de um ímã e naturalmente entram no pólo sul de outro, essencialmente criando um ímã maior. Como pólos se repelem porque suas linhas de força estão viajando em direções opostas, colidindo uns com os outros em vez de se moverem juntos.
Conectar o pólo norte de um ímã ao pólo sul de outro ímã cria essencialmente um ímã maior.
A limalha de ferro se alinha ao longo dos campos magnéticos de quatro pequenos ímãs. Depois de remover o ímã, as limalhas continuarão a ter seus próprios campos magnéticos fracos. Para fazer um ímã, tudo o que você precisa fazer é encorajar os domínios magnéticos de uma peça de metal a apontarem na mesma direção. Isso é o que acontece quando você esfrega uma agulha com um ímã - a exposição ao campo magnético estimula os domínios a se alinharem. Outras maneiras de alinhar domínios magnéticos em uma peça de metal incluem:
Dois desses métodos estão entre as teorias científicas sobre como o ímã se forma na natureza. Alguns cientistas especulam que a magnetita se torna magnética quando atingida por um raio. Outros teorizam que pedaços de magnetita se tornaram ímãs quando a Terra foi formada. Os domínios se alinharam com o campo magnético da Terra enquanto o óxido de ferro estava derretido e flexível.
O método mais comum de fazer ímãs hoje envolve a colocação de metal em um campo magnético. O campo exerce torque no material, encorajando os domínios a se alinharem. Há um pequeno atraso, conhecido como histerese , entre a aplicação do campo e a mudança nos domínios - leva alguns momentos para os domínios começarem a se mover. Aqui está o que acontece:
A força do ímã resultante depende da quantidade de força usada para mover os domínios. Sua permanência, ou retentividade , depende de quão difícil foi encorajar os domínios a se alinharem. Materiais que são difíceis de magnetizar geralmente retêm seu magnetismo por períodos mais longos, enquanto os materiais que são fáceis de magnetizar freqüentemente voltam ao seu estado não magnético original.
Você pode reduzir a força de um ímã ou desmagnetizá-lo inteiramente, expondo-o a um campo magnético alinhado na direção oposta. Você também pode desmagnetizar um material aquecendo-o acima de seu Ponto Curie , ou a temperatura na qual ele perde seu magnetismo. O calor distorce o material e excita as partículas magnéticas, fazendo com que os domínios saiam do alinhamento.
Ímãs de envioGrande, ímãs poderosos têm vários usos industriais, desde a gravação de dados até a indução de corrente nos fios. Mas enviar e instalar imãs enormes pode ser difícil e perigoso. Não só os ímãs podem danificar outros itens em trânsito, eles podem ser difíceis ou impossíveis de instalar na chegada. Além disso, ímãs tendem a coletar uma série de detritos ferromagnéticos, que é difícil de remover e pode até ser perigoso.
Por esta razão, instalações que usam ímãs muito grandes geralmente têm equipamentos no local que permitem transformar materiais ferromagnéticos em ímãs. Muitas vezes, o dispositivo é essencialmente um eletroímã.
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Uma visão simplificada de um átomo, com um núcleo e elétrons orbitando Se você leu Como funcionam os eletroímãs, você sabe que uma corrente elétrica passando por um fio cria um campo magnético. As cargas elétricas em movimento também são responsáveis pelo campo magnético nos ímãs permanentes. Mas o campo de um ímã não vem de uma grande corrente viajando através de um fio - vem do movimento de elétrons .
Muitas pessoas imaginam os elétrons como partículas minúsculas que orbitam a do átomo núcleo a maneira como os planetas orbitam um sol. Como os físicos quânticos explicam atualmente, o movimento dos elétrons é um pouco mais complicado do que isso. Essencialmente, elétrons preenchem a camada de um átomo orbitais , onde eles se comportam como partículas e ondas. Os elétrons têm um cobrar e um massa , bem como um movimento que os físicos descrevem como rodar em uma direção para cima ou para baixo. Você pode aprender mais sobre os elétrons em Como funcionam os átomos.
Geralmente, elétrons preenchem os orbitais do átomo em pares . Se um dos elétrons em um par gira para cima, o outro gira para baixo. É impossível que os dois elétrons em um par girem na mesma direção. Isso é parte de um princípio quântico-mecânico conhecido como o Princípio de Exclusão de Pauli .
Mesmo que os elétrons de um átomo não se movam muito longe, seu movimento é suficiente para criar um minúsculo campo magnético. Uma vez que os elétrons emparelhados giram em direções opostas, seus campos magnéticos se cancelam. Átomos de elementos ferromagnéticos, por outro lado, tem vários elétrons desemparelhados que têm o mesmo spin. Ferro, por exemplo, tem quatro elétrons desemparelhados com o mesmo spin. Porque eles não têm campos opostos para cancelar seus efeitos, esses elétrons têm um momento magnético orbital . O momento magnético é um vetor - tem uma magnitude e uma direção. Está relacionado tanto à força do campo magnético quanto ao torque que o campo exerce. Os momentos magnéticos de todo um ímã vêm dos momentos de todos os seus átomos.
Um átomo de ferro e seus quatro elétrons desemparelhados Em metais como o ferro, o momento magnético orbital estimula os átomos próximos a se alinharem ao longo das mesmas linhas de campo norte-sul. O ferro e outros materiais ferromagnéticos são cristalinos. À medida que esfriam de um estado fundido, grupos de átomos com rotação orbital paralela alinham-se dentro da estrutura cristalina. Isso forma os domínios magnéticos discutidos na seção anterior.
Você deve ter notado que os materiais que fazem bons ímãs são os mesmos que os materiais atraem. Isso ocorre porque os ímãs atraem materiais que possuem elétrons desemparelhados que giram na mesma direção. Em outras palavras, a qualidade que transforma um metal em um ímã também atrai o metal para os ímãs. Muitos outros elementos são diamagnético - seus átomos desemparelhados criam um campo que repele fracamente um ímã. Alguns materiais não reagem com ímãs.
Esta explicação e sua física quântica subjacente são bastante complicadas, e sem eles a ideia de atração magnética pode ser mistificadora. Portanto, não é surpreendente que as pessoas tenham visto os materiais magnéticos com suspeita durante grande parte da história.
Ímãs de mediçãoVocê pode medir campos magnéticos usando instrumentos como gauss metros , e você pode descrevê-los e explicá-los usando várias equações. Aqui estão alguns dos princípios básicos:
Trem transrapid em Emsland, Instalação de teste na Alemanha Imagem usada sob GNU Free Documentation License Cada vez que você usa um computador, você está usando ímãs. Um disco rígido depende de ímãs para armazenar dados, e alguns monitores usam ímãs para criar imagens na tela. Se sua casa tem campainha, provavelmente usa um eletroímã para acionar um gerador de ruído. Os ímãs também são componentes vitais em televisores CRT, caixas de som, microfones, geradores, transformadores, motores elétricos, alarmes contra roubo, fitas cassete, bússolas e velocímetros de automóveis.
Além de seus usos práticos, ímãs têm inúmeras propriedades surpreendentes. Eles podem induzir corrente no fio e fornecer torque para motores elétricos. Um campo magnético forte o suficiente pode levitar pequenos objetos ou até pequenos animais. Os trens Maglev usam propulsão magnética para viajar em altas velocidades, e fluidos magnéticos ajudam a encher motores de foguetes com combustível. O campo magnético da Terra, Conhecido como magnetosfera , protege-o do vento solar . De acordo com a revista Wired, algumas pessoas até implantam minúsculos ímãs de neodímio em seus dedos, permitindo que eles detectem campos eletromagnéticos [Fonte:Wired].
As máquinas de ressonância magnética (MRI) usam campos magnéticos para permitir que os médicos examinem os órgãos internos dos pacientes. Os médicos também usam campos eletromagnéticos pulsados para tratar ossos quebrados que não cicatrizaram corretamente. Este método, aprovado pela Food and Drug Administration dos Estados Unidos na década de 1970, pode consertar ossos que não responderam a outro tratamento. Pulsos semelhantes de energia eletromagnética podem ajudar a prevenir a perda óssea e muscular em astronautas que estão em ambientes de gravidade zero por longos períodos.
Os ímãs também podem proteger a saúde dos animais. As vacas são suscetíveis a uma condição chamada reticulopericardite traumática , ou doença de hardware , que vem de engolir objetos de metal. Objetos engolidos podem perfurar o estômago de uma vaca e danificar seu diafragma ou coração. Os ímãs são fundamentais para prevenir essa condição. Uma prática envolve passar um ímã sobre a comida das vacas para remover objetos de metal. Outra é alimentar as vacas com ímãs. Grande, ímãs de alnico estreitos, conhecido como ímãs de vaca , pode atrair pedaços de metal e ajudar a evitar que machuquem o estômago da vaca. Os ímãs ingeridos ajudam a proteger as vacas, mas ainda é uma boa ideia manter as áreas de alimentação livres de detritos de metal. Pessoas, por outro lado, nunca deve comer ímãs, uma vez que eles podem ficar juntos através das paredes intestinais de uma pessoa, bloqueando o fluxo sanguíneo e matando o tecido. Em humanos, ímãs engolidos muitas vezes requerem cirurgia para remover.
Ímãs para vacas Foto cedida pela Amazon Algumas pessoas defendem o uso da terapia magnética para tratar uma ampla variedade de doenças e condições. De acordo com os profissionais, palmilhas magnéticas, pulseiras, colares, Os protetores de colchão e travesseiros podem curar ou aliviar tudo, desde artrite até câncer. Alguns defensores também sugerem que o consumo de água potável magnetizada pode tratar ou prevenir várias doenças. Os americanos gastam cerca de US $ 500 milhões por ano em tratamentos magnéticos, e as pessoas em todo o mundo gastam cerca de US $ 5 bilhões. [Fonte:Winemiller via NCCAM].
Os proponentes oferecem várias explicações de como isso funciona. Uma é que o ímã atrai o ferro encontrado na hemoglobina no sangue, melhorando a circulação para uma área específica. Outra é que o campo magnético de alguma forma muda a estrutura das células próximas. Contudo, estudos científicos não confirmaram que o uso de ímãs estáticos tenha qualquer efeito sobre a dor ou doença. Os ensaios clínicos sugerem que os benefícios positivos atribuídos aos ímãs podem realmente vir com o passar do tempo, amortecimento adicional em palmilhas magnéticas ou efeito placebo. Além disso, água potável normalmente não contém elementos que podem ser magnetizados, tornando a ideia de água potável magnética questionável.
Alguns proponentes também sugerem o uso de ímãs para reduzir a água dura nas residências. De acordo com os fabricantes do produto, ímãs grandes podem reduzir o nível de incrustação de água dura, eliminando minerais ferromagnéticos de água dura. Contudo, os minerais que geralmente causam água dura não são ferromagnéticos. Um estudo de dois anos da Consumer Reports também sugere que tratar a água que entra com ímãs não muda a quantidade de incrustação em um aquecedor de água doméstico.
Mesmo que os ímãs não sejam susceptíveis de acabar com a dor crônica ou eliminar o câncer, eles ainda são fascinantes para estudar.
Pólos magnéticosUm ímã pode ter vários pólos norte e sul, e esses pólos sempre ocorrem em pares . Não pode haver pólo norte sem um pólo sul correspondente, nenhum pólo sul sem um norte correspondente.
Publicado originalmente:2 de abril, 2007
