O eletromagnetismo é uma das forças fundamentais do universo, responsável por tudo, desde campos elétricos e magnéticos até a luz. Originalmente, os cientistas acreditavam que o magnetismo e a eletricidade eram forças separadas. Mas no final do século 19, essa visão mudou, pois a pesquisa demonstrou conclusivamente que cargas elétricas positivas e negativas eram governadas por uma força (isto é, magnetismo).
Desde então, os cientistas têm procurado testar e medir campos eletromagnéticos e recriá-los. Para esse fim, eles criaram eletroímãs, um dispositivo que usa corrente elétrica para induzir um campo magnético. E desde a sua invenção inicial como instrumento científico, os eletroímãs tornaram-se uma característica regular dos dispositivos eletrônicos e processos industriais.
Os eletroímãs são diferenciados dos ímãs permanentes, pois exibem uma atração magnética para outros objetos metálicos quando uma corrente passa por eles. Isso apresenta inúmeras vantagens, pois o poder de sua atração magnética pode ser controlado e ativado e desativado à vontade. É por esse motivo que eles são amplamente utilizados em pesquisa e indústria, onde quer que sejam necessárias interações magnéticas.
História dos eletroímãs:
A primeira descoberta registrada da relação entre eletricidade e magnetismo ocorreu em 1820, quando o cientista dinamarquês Hans Christian Orsted percebeu que a agulha em sua bússola apontava para longe do norte magnético quando uma bateria próxima era ligada. Essa deflexão o convenceu de que os campos magnéticos irradiam de todos os lados de um fio que carrega uma corrente elétrica, assim como a luz e o calor.
Pouco tempo depois, ele publicou suas descobertas, mostrando matematicamente que uma corrente elétrica produz um campo magnético à medida que flui através de um fio. Quatro anos depois, o cientista inglês William Sturgeon desenvolveu o primeiro eletroímã, que consistia em um pedaço de ferro em forma de ferradura, enrolado em fio de cobre. Quando a corrente passava pelo fio, atraía outros pedaços de ferro e, quando a corrente era parada, perdia a magnetização.
Embora fraco pelos padrões modernos, o eletroímã de Sturgeon demonstra sua potencial utilidade. Apesar de pesar apenas 200 gramas, ele podia levantar objetos que pesavam aproximadamente 4 kg com apenas a corrente de uma bateria de célula única. Como resultado, a pesquisa começou a se intensificar tanto nos eletroímãs quanto na natureza da eletrodinâmica.
Na década de 1930, o cientista americano Joseph Henry fez uma série de melhorias no design do eletroímã. Usando fio isolado, ele conseguiu colocar milhares de voltas de fio em um único núcleo. Como resultado, um de seus eletroímãs pode suportar até 936 kg (2.063 lbs) de peso. Isso deveria ter um efeito popularizante no uso de eletroímãs.
Tipos de eletroímãs:
Uma corrente elétrica que flui em um fio cria um campo magnético ao redor do fio, devido à lei de Ampere. Esta lei estabelece que, para qualquer caminho de malha fechada, a soma dos elementos de comprimento vezes o campo magnético na direção do elemento de comprimento é igual aos tempos de permeabilidade da corrente elétrica envolvida no laço.
Para concentrar o campo magnético em um eletroímã, o fio é enrolado em uma bobina muitas vezes, garantindo que o fio de giro fique lado a lado ao longo da borda. O campo magnético gerado pelas voltas do fio passa pelo centro da bobina, criando um forte campo magnético ali. O lado do ímã de onde emergem as linhas de campo é definido como o Polo Norte.
Uma bobina de arame que assume a forma de uma hélice é chamada de "solenóide". No entanto, campos magnéticos muito mais fortes podem ser produzidos se um material ferromagnético (isto é, ferro) for colocado dentro da bobina. Isso é chamado de "núcleo ferromagnético" (ou "eletroímã do núcleo de ferro"), que pode gerar um campo magnético mil vezes a força de uma bobina sozinha.
Então é o que é conhecido como “núcleo toirodal”, no qual o fio enrolado em torno de um núcleo ferromagnético assume a forma de um loop fechado (também conhecido como circuito magnético). Nesse caso, os campos magnéticos assumem a forma de um circuito fechado, apresentando muito menos "resistência" ao campo magnético do que o ar. Como resultado, um campo mais forte pode ser obtido se a maior parte do caminho do campo magnético estiver dentro do núcleo.
E também existem eletroímãs "supercondutores", compostos de fios enrolados feitos de materiais supercondutores (como nióbio-titânio ou diboreto de magnésio). Esses fios também são mantidos em temperaturas criogênicas para garantir que a resistência elétrica seja mínima. Esses eletroímãs podem conduzir correntes muito maiores do que o fio comum, criando os campos magnéticos mais fortes de qualquer eletroímã, além de serem mais baratos de operar, por não haver perda de energia.
Usos modernos para eletroímãs:
Atualmente, existem inúmeras aplicações para eletroímãs, desde máquinas industriais em larga escala até componentes eletrônicos em pequena escala. Além disso, os eletroímãs são amplamente utilizados para a realização de pesquisas e experimentos científicos, especialmente onde é necessária supercondutividade e aceleração rápida.
No caso de solenoides eletromagnéticos, eles são usados sempre que um campo magnético uniforme (isto é, controlado) for necessário. O mesmo vale para o eletroímã com núcleo de ferro, onde um ferro ou outro núcleo ferromagnético pode ser inserido ou removido para intensificar a força de campo do ímã. Como resultado, os ímãs solenóides são comumente encontrados em marcadores eletrônicos de paintball, máquinas de pinball, impressoras matriciais e injetores de combustível, onde o magnetismo é aplicado e controlado para garantir o movimento controlado de componentes específicos.
Dada sua capacidade de gerar campos magnéticos muito poderosos, baixa resistência e alta eficiência, eletroímãs supercondutores são frequentemente encontrados em equipamentos médicos e científicos. Isso inclui máquinas de ressonância magnética (IRM) em hospitais e instrumentos científicos como espectrômetros de ressonância magnética nuclear (RMN), espectrômetros de massa e também aceleradores de partículas.
Os eletroímãs também são usados extensivamente quando se trata de equipamentos musicais. Isso inclui alto-falantes, fones de ouvido, campainhas elétricas e equipamentos de gravação e armazenamento de dados magnéticos - como gravadores. A indústria de multimídia e entretenimento conta com eletroímãs para criar dispositivos e componentes, como videocassetes e discos rígidos.
Os atuadores elétricos, que são motores responsáveis pela conversão de energia elétrica em torque mecânico, também contam com eletroímãs. A indução eletromagnética também é o meio pelo qual os transformadores de potência funcionam, responsáveis por aumentar ou diminuir as tensões da corrente alternada ao longo das linhas de energia.
O aquecimento por indução, usado no cozimento, fabricação e tratamento médico, também contava com eletroímãs, que convertem a corrente elétrica em energia térmica. Os eletroímãs também são usados para aplicações industriais, como levantadores magnéticos que usam atração magnética para levantar objetos pesados ou separadores magnéticos responsáveis pela separação de metais ferromagnéticos a partir de sucata.
E por último, mas certamente não menos importante, há a aplicação de trens maglev. Além de usar a força eletromagnética para permitir que um trem levite acima de uma linha, os eletroímãs supercondutores também são responsáveis por acelerar os trens para altas velocidades.
Em resumo, os usos dos eletroímãs são praticamente ilimitados, alimentando tudo, desde dispositivos de consumo e equipamentos pesados até transporte de massa. No futuro, eles também podem ser responsáveis pelas viagens espaciais, onde os sistemas de propulsão de íons usam campos magnéticos para acelerar partículas carregadas (ou seja, íons) e obter empuxo.
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre eletroímãs aqui na Space Magazine. Eis quem descobriu a eletricidade? De que são feitos os ímãs? Como funcionam os ímãs ?, o campo magnético da terra e a propulsão iônica.
Para obter mais informações, verifique a Recursos Educacionais da NASA, Experimentando os eletroímãs e o papel da Terra como eletroímã e a criação de auroras, e a página do comprimento de onda da NASA nos eletroímãs.
O How Stuff Works também tem uma excelente página, intitulada “Introdução a Como funcionam os eletroímãs”, e o laboratório Nacional de Campo Magnético Alto (MagLab) tem alguns artigos maravilhosos sobre eletroímãs, como fazê-los e como eles funcionam.
Você também pode conferir o Astronomy Cast. O episódio 103 é sobre forças eletromagnéticas.
