Ímãs: O que, Tipos, Fatos Importantes Os Iniciantes Devem Saber

Conteúdo

  • História dos ímãs
  • Tipos de materiais magnéticos
  • Materiais diamagnéticos
  • Materiais paramagnéticos
  • Materiais ferromagnéticos
  • Tipos de ímã
  • Ímãs rígidos e ímãs macios
  • Ímã permanente e eletroímã
  • Aplicações de eletroímãs

História dos ímãs

Das magnetitas (ou magnetita) primeiro, as pessoas tiveram uma ideia sobre o funcionamento dos ímãs, que são pedaços magnetizados de minério de ferro encontrados na natureza. A palavra ímã veio do grego, da terra chamada “Magnésia”, uma parte da Grécia antiga onde magnetitas eram encontradas. No final do século 12 DC, ímãs foram usados ​​e bússolas magnéticas foram construídos e usados ​​na navegação em diferentes partes do mundo como China, Europa, etc.

magnetita
Um ímã permanente de ocorrência natural: magnetita (preta)
Crédito da imagem: Teravolt (conversa), Lodestone (preto)CC BY 3.0

Basicamente, os ímãs são materiais que produzem campos magnéticos. Os físicos Curie e Faraday observaram que quase todos os materiais têm certas propriedades magnéticas e, de acordo com seu comportamento magnético, os dividiram em três categorias:

  • Materiais diamagnéticos
  • Materiais paramagnéticos
  • Materiais ferromagnéticos

Tipos de ímã:

Materiais magnéticos duros: 

Os ímãs rígidos são geralmente materiais ferromagnéticos que têm a capacidade de reter a magnetização por um longo período de tempo, ou seja, o material deve ter alta retentividade.

Os ímãs rígidos também devem ter um alto grau de coercividade, ou seja, apenas uma grande magnitude do campo magnético externo deve ser capaz de eliminar o magnetismo residual retido pelo material.

Alguns exemplos de materiais magnéticos rígidos são Alnico (uma liga formada pela combinação de ferro, cobalto, alumínio, níquel e cobre) e magnetita (um metal que ocorre naturalmente).

Ímã rígido
Loop de histerese para ímãs rígidos

Materiais magnéticos macios: 

Os ímãs macios também são materiais ferromagnéticos que podem reter sua magnetização enquanto o campo magnético externo sair, ou seja, eles têm baixa retentividade. Eles também têm um baixo grau de coercividade, ou seja, sua magnetização retida (embora seja muito menor) pode ser eliminada muito facilmente.

Portanto, eles podem ser facilmente magnetizados e desmagnetizados.

Esses tipos de materiais (ímãs macios) estão sendo usados ​​para fazer o eletroímã, pois um material eletromagnético deve ter uma baixa retentividade e também uma baixa coercividade. O ferro macio é um material adequado como ferromagneto macio.

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imã macio
Loop de histerese para ímã macio

Os dois tipos de ímãs: ímã permanente e eletroímã

Imãs permanentes:

ímãs
Imãs permanentes

Os materiais que podem reter suas propriedades ferromagnéticas por longos períodos de tempo em temperatura ambiente normal podem ser classificados como ímãs permanentes.

Um alto grau de retentividade (o ímã pode reter seu magnetismo na ausência de campo magnético externo) e também um alto grau de coercividade (a propriedade magnética não é eliminada por campos magnéticos externos) é necessário para ser um ímã permanente.

Os ímãs permanentes também devem ser resistentes ao estresse mecânico e às mudanças de temperatura. 

Como afirmado antes, um campo magnético é produzido por um campo elétrico variável. Conseqüentemente, teoriza-se que o campo magnético de um ímã permanente é uma consequência do spin uniforme dos elétrons em uma direção particular dentro dos átomos do material, já que a carga elétrica em movimento produz um campo elétrico variável. Esse tipo de rotação uniforme dos elétrons nos átomos de um material se deve basicamente à estrutura atômica e à orientação eletrônica do material. Portanto, apenas alguns tipos de substâncias têm a capacidade de sustentar ou reter permanentemente um campo magnético.

Lodestone, Alnico, conforme mencionado nos ímãs rígidos, pode ser um exemplo de ímã permanente. A partir das discussões que tivemos, pode-se inferir que o aço é mais adequado para a fabricação de ímã permanente do que o ferro, já que o aço tem um valor de coercividade muito maior do que o ferro, embora o ferro tenha uma retentividade um pouco maior do que o aço. Uma série de ligas com valores bastante elevados de retentividade e coercividade foram desenvolvidas para a fabricação de ímã permanente. Tal liga com um valor de coercividade muito alto é denominada vocalmente (uma liga composta de vanádio, ferro e cobalto).

Eletroímãs

Os eletroímãs são geralmente construídos enrolando um material (geralmente materiais ferromagnéticos) por um fio em uma bobina e conectando os fios a uma fonte de alimentação variável (de modo que a corrente nos fios possa variar).

Como funciona um eletroímã?

Quando uma corrente flui através dos fios, o campo magnético produzido por cada um dos loops individuais da bobina é somado ao campo magnético dos loops vizinhos e, juntos, funciona como uma barra magnética forte com os distintos Pólo Norte e Sul.

Este ímã em barra resultante com seus pólos Norte e Sul distintos é muito mais forte do que qualquer ímã em barra permanente que pode ser magnetizado e desmagnetizado à vontade, ou seja, pode se comportar como um ímã somente quando necessário.

O material utilizado como núcleo deve ter alta permeabilidade, baixa retentividade e também baixa coercividade. Em um eletroímã, o campo magnético e a densidade do fluxo podem ser facilmente variados de acordo com a corrente nos enrolamentos. Esta propriedade de um eletroímã é amplamente utilizada em diferentes aplicações, mas ao contrário do ímã permanente, este requer uma fonte de alimentação para funcionar e também para o eletroímã, há alguma perda de energia na magnetização e desmagnetização do núcleo, conforme estudado anteriormente na forma de o ciclo de histerese.

A formação do Pólo Norte e do Pólo Sul, quando a corrente flui através dos enrolamentos, depende da direção do fluxo da corrente nos loops. Onde o Pólo Norte e o Pólo Sul serão formados pode ser previsto pelo diagrama mostrado abaixo.

polaridade do imã
Pólo Norte-Sul de acordo com a direção da corrente na bobina

Fatores dos quais a força do eletroímã depende

A força do campo magnético ou a densidade do fluxo magnético depende do quantidade de corrente fluindo através dos enrolamentos e também para o número de voltas na bobina. Mais especificamente, a força do campo magnético é diretamente proporcional a ambos, o que é relevante a partir da expressão da força magnetomotriz, que é a seguinte:

Força magnetomotriz (MMF) = IXN 

onde  é a corrente que flui pelo enrolamento e N é o número de voltas.

Outra condição na qual o força magnética de um eletroímã depende é o material usado como o núcleo. Geralmente, o núcleo é feito de material ferromagnético com um alto grau de permeabilidade (a medida da facilidade com que um campo de magnetização pode penetrar ou permear um determinado material). Se usarmos qualquer material não magnético como madeira, plástico, etc., pode-se presumir que o núcleo é feito de espaço livre, já que a permeabilidade desse material é muito baixa e, portanto, a densidade do fluxo magnético será desprezível.

Eletroímã001
Aplicação de Eletroímã
Crédito de imagem: AntenamaxIDADE5520CC BY-SA 3.0

Aplicações de eletroímãs

  • Os eletroímãs são amplamente utilizados em dispositivos elétricos, como sinos elétricos, aquecedores de indução, ventiladores elétricos, telégrafo, trens elétricos, motor-gerador elétrico, etc.
  • Eles são usados ​​para levitação magnética como nos trens maglev.
  • Eles são usados ​​em fones de ouvido, alto-falantes, gravadores e até mesmo em discos rígidos de nossos computadores.
  • Eles são usados ​​como relés e em equipamentos como espectrômetros de massa e até mesmo em aceleradores de partículas.
  • Eles são usados ​​até mesmo para fins médicos, como para remover pedaços de ferro de feridas e também em máquinas de ressonância magnética (ressonância magnética). 

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