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22.2: Ferroímãs e eletroímãs

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Defina ferromagnet.
    • Descreva o papel dos domínios magnéticos na magnetização.
    • Explique a importância da temperatura de Curie.
    • Descreva a relação entre eletricidade e magnetismo.

    Ferromagnetos

    Somente certos materiais, como ferro, cobalto, níquel e gadolínio, apresentam fortes efeitos magnéticos. Esses materiais são chamados de ferromagnéticos, em homenagem à palavra latina para ferro, ferrum. Um grupo de materiais feitos de ligas de elementos de terras raras também são usados como ímãs fortes e permanentes; um popular é o neodímio. Outros materiais apresentam efeitos magnéticos fracos, que são detectáveis somente com instrumentos sensíveis. Os materiais ferromagnéticos não apenas respondem fortemente aos ímãs (a forma como o ferro é atraído pelos ímãs), eles também podem ser magnetizados sozinhos, ou seja, podem ser induzidos a serem magnéticos ou transformados em ímãs permanentes.

    Um pedaço de ferro não magnetizado é transformado em um ímã permanente usando calor e outro ímã.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Um pedaço de ferro não magnetizado é colocado entre dois ímãs, aquecido e depois resfriado, ou simplesmente batido quando frio. O ferro se torna um ímã permanente com os pólos alinhados conforme mostrado: seu pólo sul é adjacente ao pólo norte do ímã original e seu pólo norte é adjacente ao pólo sul do ímã original. Observe que existem forças atrativas entre os ímãs.

    Quando um ímã se aproxima de um material ferromagnético previamente não magnetizado, ele causa magnetização local do material com pólos diferentes mais próximos, como na Figura\(\PageIndex{1}\). (Isso resulta na atração do material anteriormente não magnetizado para o ímã.) O que acontece em uma escala microscópica é ilustrado na Figura\(\PageIndex{2}\). As regiões dentro do material, chamadas de domínios, agem como pequenas barras magnéticas. Dentro dos domínios, os pólos dos átomos individuais estão alinhados. Cada átomo age como uma pequena barra magnética. Os domínios são pequenos e orientados aleatoriamente em um objeto ferromagnético não magnetizado. Em resposta a um campo magnético externo, os domínios podem crescer até o tamanho milimétrico, alinhando-se conforme mostrado na Figura 2b. Essa magnetização induzida pode se tornar permanente se o material for aquecido e depois resfriado, ou simplesmente batido na presença de outros ímãs.

    Três diagramas esquemáticos de um pedaço de ferro mostrando domínios magnéticos. Na Figura a, existem muitos domínios (pequenas regiões magnéticas, cada uma com um pólo norte e um pólo sul). Cada domínio tem uma orientação ligeiramente diferente. Na Figura b, os domínios são maiores. A maioria dos domínios está orientada aproximadamente na mesma direção. Na Figura c, há um único domínio para toda a peça de ferro. Há um pólo norte e um pólo sul.
    Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Uma peça de ferro não magnetizada (ou outro material ferromagnético) tem domínios orientados aleatoriamente. (b) Quando magnetizados por um campo externo, os domínios mostram maior alinhamento e alguns crescem às custas de outros. Átomos individuais estão alinhados dentro dos domínios; cada átomo age como uma pequena barra magnética.

    Por outro lado, um ímã permanente pode ser desmagnetizado por golpes fortes ou por aquecimento na ausência de outro ímã. O aumento do movimento térmico em temperaturas mais altas pode interromper e randomizar a orientação e o tamanho dos domínios. Há uma temperatura bem definida para materiais ferromagnéticos, chamada de temperatura de Curie, acima da qual eles não podem ser magnetizados. A temperatura Curie para o ferro é de 1043 K\(\left(770^{\circ}C\right)\), o que está bem acima da temperatura ambiente. Existem vários elementos e ligas que têm temperaturas de Curie muito mais baixas do que a temperatura ambiente e são ferromagnéticos apenas abaixo dessas temperaturas.

    Eletroímãs

    No início do século XIX, descobriu-se que as correntes elétricas causam efeitos magnéticos. A primeira observação significativa foi feita pelo cientista dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), que descobriu que a agulha da bússola foi desviada por um fio transportador de corrente. Essa foi a primeira evidência significativa de que o movimento das cargas tinha alguma conexão com ímãs. Eletromagnetismo é o uso de corrente elétrica para fazer ímãs. Esses ímãs induzidos temporariamente são chamados de eletroímãs. Os eletroímãs são usados para tudo, desde um guindaste de pátio de demolição que levanta carros sucateados até o controle do feixe de um acelerador de partículas de 90 km de circunferência até os ímãs em máquinas de imagens médicas (Figura\(\PageIndex{3}\)).

    Máquina M R I em um hospital.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Instrumento para ressonância magnética (MRI). O dispositivo usa uma bobina cilíndrica supercondutora para o campo magnético principal. O paciente entra nesse “túnel” na maca. (crédito: Bill McChesney, Flickr)

    A figura\(\PageIndex{4}\) mostra que a resposta das limalhas de ferro a uma bobina transportadora de corrente e a uma barra magnética permanente. Os padrões são semelhantes. Na verdade, eletroímãs e ferroímãs têm as mesmas características básicas — por exemplo, eles têm pólos norte e sul que não podem ser separados e para os quais pólos semelhantes se repelem e, diferentemente dos pólos, atraem.

    A disposição das limalhas de ferro à medida que são afetadas por uma bobina de metal que carrega uma corrente elétrica e uma barra magnética. Nos pólos do ímã, as limalhas são alinhadas radialmente aos pólos. Entre os pólos, as limalhas são aproximadamente paralelas ao ímã. Assim, de um pólo ao outro, as limalhas têm um arranjo arqueado. A densidade das limalhas é muito alta nos pólos e relativamente baixa em ambos os lados do centro do ímã. O arranjo é semelhante em torno da bobina transportadora de corrente.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Limalhas de ferro próximas a (a) uma bobina transportadora de corrente e (b) a um ímã agem como pequenas agulhas de bússola, mostrando a forma de seus campos. Sua resposta a uma bobina transportadora de corrente e a um ímã permanente é considerada muito semelhante, especialmente perto das extremidades da bobina e do ímã.

    A combinação de um ferroímã com um eletroímã pode produzir efeitos magnéticos particularmente fortes (Figura\(\PageIndex{5}\)). Sempre que efeitos magnéticos fortes são necessários, como levantar sucata metálica ou em aceleradores de partículas, os eletroímãs são aprimorados por materiais ferromagnéticos. Os limites da força dos ímãs são impostos pela resistência da bobina (ela superaquece e derrete com corrente suficientemente alta) e, portanto, ímãs supercondutores podem ser empregados. Eles ainda são limitados, porque as propriedades supercondutoras são destruídas por um campo magnético muito grande.

    Uma corrente elétrica passa por um fio de metal que é enrolado em torno de um ferroímã.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Um eletroímã com núcleo ferromagnético pode produzir efeitos magnéticos muito fortes. O alinhamento dos domínios no núcleo produz um ímã, cujos pólos estão alinhados com o eletroímã.

    A figura\(\PageIndex{6}\) mostra alguns usos de combinações de eletroímãs e ferroímãs. Os materiais ferromagnéticos podem atuar como dispositivos de memória, pois a orientação dos campos magnéticos de pequenos domínios pode ser revertida ou apagada. O armazenamento de informações magnéticas em fitas de vídeo e discos rígidos de computadores está entre os aplicativos mais comuns. Essa propriedade é vital em nosso mundo digital.

    Três visualizações em um disco de computador mostrando as partes magnéticas da cabeça de gravação e da fita.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Um eletroímã induz regiões de magnetismo permanente em um disquete revestido com um material ferromagnético. As informações armazenadas aqui são digitais (uma região é magnética ou não); em outras aplicações, elas podem ser analógicas (com intensidade variável), como em fitas de áudio.

    Atual: A fonte de todo magnetismo

    Um eletroímã cria magnetismo com uma corrente elétrica. Nas seções posteriores, exploramos isso de forma mais quantitativa, encontrando a força e a direção dos campos magnéticos criados por várias correntes. Mas e quanto aos ferroímãs? A figura\(\PageIndex{7}\) mostra modelos de como as correntes elétricas criam magnetismo no nível submicroscópico. (Observe que não podemos observar diretamente os caminhos de elétrons individuais em torno dos átomos e, portanto, um modelo ou imagem visual, consistente com todas as observações diretas, é feito. Podemos observar diretamente o momento angular orbital do elétron, seu momento de spin e os momentos magnéticos subsequentes, todos explicados com magnetismo subatômico que cria corrente elétrica.) As correntes, incluindo aquelas associadas a outras partículas submicroscópicas, como prótons, nos permitem explicar o ferromagnetismo e todos os outros efeitos magnéticos. O ferromagnetismo, por exemplo, resulta de um alinhamento cooperativo interno de spins de elétrons, possível em alguns materiais, mas não em outros.

    Crucial para a afirmação de que a corrente elétrica é a fonte de todo magnetismo é o fato de que é impossível separar os pólos magnéticos norte e sul. (Isso é muito diferente do caso de cargas positivas e negativas, que são facilmente separadas.) Um circuito de corrente sempre produz um dipolo magnético, ou seja, um campo magnético que age como um par de pólo norte e pólo sul. Como os pólos magnéticos norte e sul isolados, chamados monopolos magnéticos, não são observados, as correntes são usadas para explicar todos os efeitos magnéticos. Se existissem monopolos magnéticos, teríamos que modificar essa conexão subjacente de que todo magnetismo é devido à corrente elétrica. Não há nenhuma razão conhecida para que os monopolos magnéticos não existam — eles simplesmente nunca são observados — e, portanto, as buscas no nível subnuclear continuam. Se eles não existirem, gostaríamos de descobrir por que não. Se eles existirem, gostaríamos de ver evidências deles.

    CORRENTES ELÉTRICAS E MAGNETISMO

    A corrente elétrica é a fonte de todo magnetismo.

    Dois modelos atômicos que descrevem a relação entre o movimento dos elétrons e o magnetismo.
    Figura\(\PageIndex{7}\): (a) No modelo planetário do átomo, um elétron orbita um núcleo, formando um circuito fechado de corrente e produzindo um campo magnético com um polo norte e um polo sul. (b) Os elétrons têm spin e podem ser retratados grosseiramente como carga rotativa, formando uma corrente que produz um campo magnético com um pólo norte e um pólo sul. Nem o modelo planetário nem a imagem de um elétron girando são completamente consistentes com a física moderna. No entanto, eles fornecem uma maneira útil de entender os fenômenos.

    EXPLORAÇÕES DE PHET: ÍMÃS E ELETROÍMÃS

    Explore as interações entre uma bússola e uma barra magnética. Descubra como você pode usar uma bateria e um fio para fazer um ímã! Você pode torná-lo um ímã mais forte? Você pode reverter o campo magnético?

    Resumo

    • Os pólos magnéticos sempre ocorrem em pares de pólos norte e sul — não é possível isolar os pólos norte e sul.
    • Todo magnetismo é criado pela corrente elétrica.
    • Materiais ferromagnéticos, como o ferro, são aqueles que apresentam fortes efeitos magnéticos.
    • Os átomos em materiais ferromagnéticos agem como pequenos ímãs (devido às correntes dentro dos átomos) e podem ser alinhados, geralmente em regiões milimétricas chamadas domínios.
    • Os domínios podem crescer e se alinhar em uma escala maior, produzindo ímãs permanentes. Esse material é magnetizado ou induzido a ser magnético.
    • Acima da temperatura Curie de um material, a agitação térmica destrói o alinhamento dos átomos e o ferromagnetismo desaparece.
    • Os eletroímãs empregam correntes elétricas para produzir campos magnéticos, geralmente auxiliados por campos induzidos em materiais ferromagnéticos.

    Glossário

    ferromagnético
    materiais, como ferro, cobalto, níquel e gadolínio, que exibem fortes efeitos magnéticos
    magnetizado
    ser transformado em um ímã; ser induzido a ser magnético
    domínios
    regiões dentro de um material que se comportam como pequenas barras magnéticas
    Temperatura de Curie
    a temperatura acima da qual um material ferromagnético não pode ser magnetizado
    eletromagnetismo
    o uso de correntes elétricas para induzir magnetismo
    eletroímã
    um objeto que é temporariamente magnético quando uma corrente elétrica passa por ele
    monopolos magnéticos
    um pólo magnético isolado; um pólo sul sem pólo norte ou vice-versa (nenhum monopolo magnético jamais foi observado)