Magnetismo: propriedades magnéticas dos materiais, usos

O magnetismo ou energia magnética é uma natureza força associada do movimento e capaz de produzir atracção eléctrica ou repulsão em certas cargas substâncias. Ímãs são fontes bem conhecidas de magnetismo.

No interior dessas interações, resultam a presença de campos magnéticos, que exercem influência sobre pequenos pedaços de ferro ou níquel, por exemplo.

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As belas cores das luzes do norte são devidas às partículas cósmicas que emitem energia quando são desviadas pelo campo magnético da Terra. Fonte: Pixabay

O campo magnético de um ímã se torna visível quando colocado sob um papel no qual as limalhas de ferro são espalhadas. Os arquivamentos são orientados imediatamente ao longo das linhas de campo, criando uma imagem disso em duas dimensões.

Outra fonte bem conhecida são os fios que transportam corrente elétrica; mas, diferentemente dos ímãs permanentes, o magnetismo desaparece quando a corrente cessa.

Sempre que um campo magnético é produzido em algum lugar, algum agente precisava trabalhar. A energia investida nesse processo é armazenada no campo magnético criado e pode ser considerada energia magnética.

O cálculo de quanta energia magnética é armazenada no campo depende disso e da geometria do dispositivo ou da região em que foi criado.

Indutores ou bobinas são bons locais para isso, criando energia magnética semelhante à maneira como a energia elétrica é armazenada entre as placas de um capacitor.

História e descoberta

Aplicações antigas

As lendas contadas por Plínio sobre a Grécia antiga falam do pastor Magnes, que há mais de 2000 anos encontrou um mineral misterioso capaz de atrair pedaços de ferro, mas não outros materiais. Era magnetita, um óxido de ferro com fortes propriedades magnéticas.

O motivo da atração magnética permaneceu oculto por centenas de anos. Na melhor das hipóteses, isso foi atribuído a fatos sobrenaturais. Embora não por esse motivo, eles pararam de encontrar aplicativos interessantes para ele, como a bússola.

A bússola inventada pelos chineses utiliza o magnetismo da própria Terra para que o usuário seja orientado durante a navegação.

Primeiros estudos científicos

O estudo dos fenômenos magnéticos teve um grande avanço graças a William Gilbert (1544 – 1603). Este cientista inglês da época elisabetano estudou o campo magnético de um ímã esférico e concluiu que a Terra deve ter seu próprio campo magnético.

De seu estudo dos ímãs, ele também percebeu que não podia obter pólos magnéticos separados. Quando um ímã é seccionado em dois, os novos ímãs também possuem os dois pólos.

No entanto, foi no início do século 19 que os cientistas perceberam a existência da relação entre corrente elétrica e magnetismo.

Hans Christian Oersted (1777 – 1851), nascido na Dinamarca, teve em 1820 a ocorrência de passar uma corrente elétrica através de um condutor e observar o efeito que isso teve em uma bússola. A bússola se desviou e, quando a corrente parou de fluir, a bússola apontou novamente, como sempre, para o norte.

Esse fenômeno pode ser verificado aproximando a bússola de um dos cabos que saem da bateria do carro enquanto o motor de partida é operado.

No momento do fechamento do circuito, a agulha deve sofrer uma deflexão observável, pois as baterias de carros podem fornecer correntes altas o suficiente para que a bússola se desvie.

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Dessa maneira, ficou claro que cargas móveis são o que dão origem ao magnetismo.

Pesquisa moderna

Alguns anos após as experiências de Oersted, o pesquisador britânico Michael Faraday (1791 – 1867) marcou outro marco ao descobrir que campos magnéticos variáveis, por sua vez, dão origem a correntes elétricas.

Ambos os fenômenos, elétricos e magnéticos, estão intimamente ligados, sendo que cada um pode dar origem ao outro. Unificá-los foi encomendado pelo discípulo de Faraday, James Clerk Maxwell (1831 – 1879), nas equações que levam seu nome.

Essas equações contêm e resumem a teoria eletromagnética e são válidas mesmo dentro da física relativística.

Propriedades magnéticas dos materiais

Por que alguns materiais exibem propriedades magnéticas ou adquirem magnetismo facilmente? Sabemos que o campo magnético é devido a cargas em movimento; portanto, dentro do ímã deve haver correntes elétricas invisíveis que geram magnetismo.

Toda matéria contém elétrons que orbitam o núcleo atômico. O elétron pode ser comparado com a Terra, que possui um movimento de translação ao redor do Sol e também de rotação em seu próprio eixo.

A física clássica atribui movimentos semelhantes ao elétron, embora a analogia não seja totalmente precisa. No entanto, o ponto é que ambas as propriedades do elétron o fazem se comportar como uma pequena espiral que cria um campo magnético.

É o giro do elétron que mais contribui para o campo magnético do átomo. Em átomos com muitos elétrons, estes são agrupados em pares e com rotações opostas. Assim, seus campos magnéticos se cancelam. É o que acontece em grande parte dos materiais.

No entanto, existem alguns minerais e compostos nos quais há um elétron ausente. Dessa forma, o campo magnético líquido não é nulo. Isso cria um momento magnético , um vetor cuja magnitude é o produto da corrente na área do circuito.

Momentos magnéticos adjacentes interagem entre si e formam regiões chamadas domínios magnéticos , nas quais muitos spins são alinhados na mesma direção. O campo magnético resultante é muito intenso.

Ferromagnetismo, paramagnetismo e diamagnetismo

Os materiais que têm essa qualidade são chamados ferromagnéticos . Existem alguns: ferro, níquel, cobalto, gadolínio e algumas ligas dos mesmos.

O restante dos elementos da tabela periódica não possui esses efeitos magnéticos pronunciados. Eles se enquadram na categoria de paramagnético ou diamagnético .

De fato, o diamagnetismo é uma propriedade de todos os materiais, que experimentam uma leve repulsão na presença de um campo magnético externo. O bismuto é o elemento com o diamagnetismo mais pronunciado.

Por sua vez, o paramagnetismo consiste em uma resposta magnética menos intensa que o ferromagnetismo, mas igualmente atraente. As substâncias paramagnéticas são, por exemplo, alumínio, ar e alguns óxidos de ferro, como a goetita.

Usos de energia magnética

O magnetismo faz parte das forças fundamentais da natureza. Como os seres humanos também fazem parte, eles são adaptados à existência de fenômenos magnéticos, bem como ao resto da vida no planeta. Por exemplo, alguns animais usam o campo magnético da Terra para serem geograficamente orientados.

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De fato, acredita-se que os pássaros fazem suas longas migrações porque em seus cérebros eles têm uma espécie de bússola orgânica que lhes permite perceber e usar o campo geomagnético.

Enquanto os humanos não têm uma bússola como essa, eles têm a capacidade de modificar o ambiente de muitas outras maneiras que o resto do reino animal. Assim, os membros de nossa espécie usaram o magnetismo a seu favor desde o momento em que o primeiro pastor grego descobriu a pedra do imã.

Algumas aplicações de energia magnética

Desde então, existem muitas aplicações de magnetismo. Aqui estão alguns:

– A bússola acima mencionada, que faz uso do campo geomagnético da Terra para ser geograficamente orientada.

– Antigas telas de televisões, computadores e osciloscópios, baseados no tubo de raios catódicos, que utilizam bobinas que geram campos magnéticos. Eles são responsáveis ​​por desviar o feixe de elétrons, de modo a impactar determinados locais da tela, formando a imagem.

– Espectrômetros de massa, usados ​​para estudar vários tipos de moléculas e com muitas aplicações em bioquímica, criminologia, antropologia, história e outras disciplinas. Eles usam campos elétricos e magnéticos para desviar partículas carregadas em trajetórias que dependem de sua velocidade.

– Propulsão magneto-hidrodinâmica, na qual uma força magnética empurra um jato de água do mar (bom condutor) de volta, de modo que, pela terceira lei de Newton, um veículo ou embarcação receba um impulso para frente.

– Ressonância magnética, um método não invasivo para obter imagens do interior do corpo humano. Basicamente, utiliza um campo magnético muito intenso e analisa a resposta dos núcleos de hidrogênio (prótons) presentes nos tecidos, que possuem a propriedade de spin mencionada.

Essas aplicações já estão estabelecidas, mas no futuro acredita-se que o magnetismo também possa combater doenças como o câncer de mama, utilizando técnicas hipertermais , que produzem calor induzido magneticamente.

A idéia é injetar magnetita fluida diretamente no tumor. Graças ao calor produzido pelas correntes induzidas magneticamente, as partículas de ferro esquentam o suficiente para destruir as células malignas.

Vantagens e desvantagens

Quando se pensa no uso de um certo tipo de energia, sua conversão é necessária em algum tipo de movimento, como o de uma turbina, um elevador ou um veículo, por exemplo; ou que seja transformado em energia elétrica que liga algum dispositivo: telefones, televisões, um caixa eletrônico e coisas assim.

A energia é uma magnitude com múltiplas manifestações que podem ser modificadas de várias maneiras. A energia de um pequeno ímã pode ser amplificada para que se mova continuamente mais do que algumas moedas?

Para ser utilizável, a energia deve ser poderosa e provir de uma fonte muito abundante.

Energias primárias e secundárias

Na natureza existem tais energias, a partir das quais os outros tipos são produzidos. Eles são conhecidos como energias primárias:

– Energia solar.

– energia atômica.

– Energia geotérmica.

– Energia eólica.

– energia de biomassa.

– Energia fóssil e combustível mineral.

Energias secundárias, como eletricidade e calor, são produzidas a partir delas. Onde está a energia magnética aqui?

Eletricidade e magnetismo não são dois fenômenos separados. De fato, os dois juntos são conhecidos como fenômenos eletromagnéticos. Sempre que um deles existe, o outro existe.

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Onde houver energia elétrica, a energia magnética existirá de alguma maneira. Mas esta é uma energia secundária, que requer a transformação anterior de algumas das energias primárias.

Características das energias primárias e secundárias

As vantagens ou desvantagens de usar algum tipo de energia são estabelecidas de acordo com muitos critérios. Isso inclui o quão fácil e barata é sua produção e também o quanto ela é capaz de influenciar negativamente o processo no meio ambiente e nas pessoas.

Algo importante a ser levado em consideração é que as energias são transformadas muitas vezes antes de poderem ser usadas.

Quantas transformações devem ter ocorrido para criar o ímã que deixará a lista de compras anexada à porta da geladeira? Quantos para construir um carro elétrico? Certamente o suficiente.

E quão limpa é a energia magnética ou eletromagnética? Há quem acredite que a exposição constante aos campos eletromagnéticos de origem humana cause problemas de saúde e ambientais.

Atualmente, existem inúmeras linhas de pesquisa dedicadas ao estudo da influência desses campos na saúde e no meio ambiente, mas, de acordo com organizações internacionais de prestígio, não há evidências conclusivas até o momento de que sejam prejudiciais.

Exemplos de energia magnética

Um dispositivo que serve para conter energia magnética é conhecido como indutor. É uma bobina formada pelo enrolamento do fio de cobre com curvas suficientes e é útil em muitos circuitos para restringir a corrente e impedir que ela mude drasticamente.

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Bobina de cobre. Fonte: Pixabay

Ao circular uma corrente através das voltas de uma bobina, um campo magnético é criado dentro.

Se a corrente mudar, o mesmo ocorre com as linhas do campo magnético. Essas mudanças induzem nas curvas uma corrente que as opõe, de acordo com a lei de indução de Faraday-Lenz.

Quando a corrente aumenta ou diminui repentinamente, a bobina se opõe a ela, portanto, pode ter efeitos de proteção no circuito.

A energia magnética de uma bobina

No campo magnético criado no volume delimitado pelas voltas da bobina a energia magnética é armazenado, que serão designadas por U B e depende de:

– A intensidade do campo magnético B.

– A área da seção transversal da bobina A.

– o comprimento da bobina l.

– Permeabilidade ao vácuo μ o.

É calculado da seguinte forma:

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Esta equação é válida em qualquer região do espaço em que exista um campo magnético. Se o volume V da referida região, sua permeabilidade e a intensidade do campo são conhecidos, é possível calcular quanta energia magnética ele possui.

Exercício resolvido

O campo magnético dentro de uma bobina cheia de ar com 2,0 cm de diâmetro e 26 cm de comprimento é de 0,70 T. Quanta energia é armazenada neste campo?

Dados : a permeabilidade do vácuo é μ o = 4π. 10 -7 Tm / A

Solução

Os valores numéricos na equação anterior são substituídos, tendo o cuidado de converter os valores para as unidades do Sistema Internacional.

  1. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. Sexta Edição Prentice Hall. 606-607.
  2. Wilson, JD 2011. Física 12. Pearson. 135-146.

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