Como funcionam os ímãs

Você provavelmente sabe que os ímãs atraem metais específicos e eles têm pólos norte e sul. Pólos opostos se atraem, enquanto pólos iguais se repelem. Campos magnéticos e elétricos estão relacionados, e o magnetismo, junto com a gravidade e as forças atômicas fortes e fracas, é uma das quatro forças fundamentais do universo.

Mas nenhum desses fatos responde à pergunta mais básica: o que exatamente faz um ímã aderir a certos metais? Ou por que eles não aderem 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?

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Para entender as respostas a essas perguntas, é útil ter uma definição básica de ímã. Os ímãs são objetos que produzem campos magnéticos e atraem metais como ferro, níquel e cobalto. As linhas de força do campo magnético saem do ímã de seu pólo norte e entram em seu pólo sul. Ímãs permanentes ou rígidos criam seu próprio campo magnético o tempo todo. Ímãs temporários ou macios produzem campos magnéticos enquanto estão na presença de um campo magnético e por um curto período após sair do campo. Os eletroímãs produzem campos magnéticos apenas quando a eletricidade passa por suas bobinas de fio.

Como elétrons e prótons são ímãs minúsculos, todos os materiais têm algum tipo de propriedade magnética. Na maioria dos materiais, no entanto, a maneira como os elétrons giram em direções opostas cancela as propriedades magnéticas de um átomo. Os metais são as escolhas mais comuns para a fabricação de ímãs. Embora alguns sejam feitos de metais simples, combinações de metais – chamadas ligas – produzem ímãs de diferentes intensidades. Por exemplo:

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Muitos dos dispositivos eletrônicos de hoje 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 natural mais forte. Pode atrair pequenos objetos, como clipes de papel e grampos.

No século 12, as pessoas descobriram que podiam usar magnetita para magnetizar pedaços de ferro, criando uma bússola. Esfregar repetidamente magnetita 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 se devia ao comportamento da Terra como um enorme ímã com pólos norte e sul.

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A agulha de uma bússola não é tão forte quanto muitos dos ímãs permanentes usados ​​hoje. Mas o processo físico que magnetiza agulhas de bússola e pedaços de liga de neodímio é essencialmente o mesmo. Ele se baseia 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 um pequeno ímã autônomo com um pólo norte e um pólo sul. Em um material ferromagnético não magnetizado, o pólo norte de cada domínio aponta em uma direção aleatória. Os domínios magnéticos orientados em direções opostas se anulam, de modo que o material não produz um campo magnético líquido.

Nos ímãs, por outro lado, a maioria ou todos os domínios magnéticos apontam na mesma direção. Em vez de se anularem, os campos magnéticos microscópicos se combinam para criar um grande campo magnético. Quanto mais domínios apontarem na mesma direção, mais forte será o campo geral. O campo magnético de cada domínio se estende de seu pólo norte até o pólo sul do domínio à sua frente.

Isso explica por que quebrar um ímã ao meio cria dois ímãs menores com pólos norte e sul. Também explica por que os pólos opostos se atraem - as linhas de campo deixam o pólo norte de um ímã e entram naturalmente no pólo sul de outro, criando essencialmente um ímã maior. Pólos semelhantes se repelem porque suas linhas de força viajam em direções opostas, colidindo umas com as outras em vez de se moverem juntas.