Todos nós brincamos com ímãs de vez em quando. Abaixo está uma tentativa de explicar o básico por trás do funcionamento interno secreto do misterioso ímã.
Um ímã é qualquer material ou objeto que produz um campo magnético. Esse campo magnético é responsável pelas propriedades de um ímã: uma força que puxa outros materiais ferromagnéticos e atrai ou repele outros ímãs. Um ímã permanente é um objeto feito de um material magnetizado e cria seu próprio campo magnético persistente. Os materiais que podem ser magnetizados, que são fortemente atraídos por um ímã, são chamados ferromagnéticos. Embora os materiais ferromagnéticos sejam os únicos atraídos a um ímã com força suficiente para serem considerados magnéticos, todas as outras substâncias respondem fracamente a um campo magnético.
Alguns fatos sobre ímãs incluem:
- o polo norte do ímã aponta para o polo norte geomagnético (um polo magnético sul) localizado no Canadá acima do Círculo Polar Ártico.
- pólos norte repelem pólos norte
- pólos sul repelem pólos sul
- pólos norte atraem pólos sul
- pólos sul atraem pólos norte
- a força da atração ou repulsão varia inversamente com a distância ao quadrado
- a força de um ímã varia em diferentes locais no ímã
- ímãs são mais fortes em seus pólos
- ímãs atraem fortemente aço, ferro, níquel, cobalto, gadolínio
- ímãs atraem levemente oxigênio líquido e outros materiais
- ímãs repelem levemente água, carbono e boro
A mecânica de como os ímãs funcionam realmente chega ao nível atômico. Quando a corrente flui em um fio, um campo magnético é criado ao redor do fio. A corrente é simplesmente um monte de elétrons em movimento, e os elétrons em movimento formam um campo magnético. É assim que os eletroímãs são feitos para funcionar.
Em torno do núcleo do átomo existem elétrons. Os cientistas pensavam que tinham órbitas circulares, mas descobriram que as coisas são muito mais complicadas. Na verdade, os padrões do elétron dentro de um desses orbitais levam em consideração as equações de onda de Schroedinger. Os elétrons ocupam certas conchas que circundam o núcleo do átomo. Esses invólucros receberam nomes de letras K, L, M, N, O, P, Q. Eles também receberam nomes de números, como 1,2,3,4,5,6,7 (pense em mecânica quântica). Dentro do shell, podem existir sub-conchas ou orbitais, com nomes de letras como s, p, d, f. Alguns desses orbitais parecem esferas, alguns como uma ampulheta, outros ainda como contas. A concha K contém um orbital s chamado orbital 1s. A concha L contém um orbital s e p chamado orbital 2s e 2p. A concha M contém um orbital s, p e d chamado orbital 3s, 3p e 3d. As conchas N, O, P e Q contêm, cada um, um orbital s, p, def denominado 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d e 7f orbital. Esses orbitais também possuem vários sub-orbitais. Cada um pode conter apenas um certo número de elétrons. Um máximo de 2 elétrons podem ocupar um sub-orbital onde um deles gira para cima e o outro gira para baixo. Não pode haver dois elétrons girando no mesmo sub-orbital (o principal de exclusão de Pauli). Além disso, quando você tem um par de elétrons em um sub-orbital, seus campos magnéticos combinados se cancelam. Se você está confuso, você não está sozinho. Muitas pessoas se perdem aqui e se perguntam sobre ímãs, em vez de pesquisar mais.
Quando você olha para os metais ferromagnéticos, é difícil ver por que eles são tão diferentes dos elementos ao lado deles na tabela periódica. É geralmente aceito que os elementos ferromagnéticos têm grandes momentos magnéticos por causa de elétrons não emparelhados em seus orbitais externos. Pensa-se também que o giro do elétron cria um minúsculo campo magnético. Esses campos têm um efeito de composição; portanto, quando você reúne vários desses campos, eles somam campos maiores.
Para resumir "como os ímãs funcionam?", Os átomos dos materiais ferromagnéticos tendem a ter seu próprio campo magnético criado pelos elétrons que os orbitam. Pequenos grupos de átomos tendem a se orientar na mesma direção. Cada um desses grupos é chamado de domínio magnético. Cada domínio tem seu próprio pólo norte e pólo sul. Quando um pedaço de ferro não é magnetizado, os domínios não apontam na mesma direção, mas apontam em direções aleatórias, cancelando-se mutuamente e impedindo que o ferro tenha um polo norte ou sul ou seja um ímã. Se você introduzir corrente (campo magnético), os domínios começarão a se alinhar com o campo magnético externo. Quanto mais aplicada atualmente, maior o número de domínios alinhados. À medida que o campo magnético externo se torna mais forte, mais e mais domínios se alinham com ele. Haverá um ponto em que todos os domínios dentro do ferro estão alinhados com o campo magnético externo (saturação), não importa quanto mais forte seja o campo magnético. Após a remoção do campo magnético externo, os materiais magnéticos macios serão revertidos para domínios orientados aleatoriamente; no entanto, materiais magnéticos duros manterão a maioria de seus domínios alinhados, criando um forte ímã permanente. Então, aí está.
Escrevemos muitos artigos sobre ímãs para a Space Magazine. Aqui está um artigo sobre ímãs de barra e um artigo sobre super-ímãs.
Se você quiser obter mais informações sobre ímãs, confira algumas experiências interessantes com ímãs, e aqui está um link para um artigo sobre super ímãs da Wise Geek.
Também gravamos um episódio inteiro do elenco de astronomia sobre magnetismo. Ouça aqui, episódio 42: Magnetismo em todo lugar.
Fontes:
Wise Geek
Wikipedia: Magnet
Wikipedia: Ferromagnetismo
