Para que utilizamos ímanes?

Talvez pense que os ímanes são interessantes; talvez pense que eles são rebuscantes! Que uso é que eles têm, pode perguntar, para além de truques de magia infantil e de raspagem?

Poderá ficar surpreendido com a quantidade de coisas à sua volta que trabalham por magnetismo ou electromagnetismo. Cada aparelho eléctrico com um motor eléctrico (tudo desde a sua escova de dentes eléctrica até ao seu cortador de relva) utiliza ímanes para transformar a electricidade em movimento. Os motores utilizam a electricidade para gerar magnetismo temporário em bobinas de fio. O campo magnético assim produzido empurra contra o campo fixo de um íman permanente, girando a parte interior do motor em torno a alta velocidade. Pode aproveitar este movimento giratório para conduzir todo o tipo de máquinas.

Existem ímanes no seu frigorífico que seguram a porta fechada. Os ímanes lêem e escrevem dados (informação digital) no disco rígido do seu computador e em cassetes em estéreos pessoais à moda antiga. Mais ímanes nos seus altifalantes de alta-fidelidade ou auscultadores ajudam a transformar a música armazenada em sons que possa ouvir. Se estiver doente com uma doença interna grave, pode fazer um tipo de scan corporal chamado NMR (ressonância magnética nuclear), que atrai o mundo para baixo da sua pele utilizando padrões de campos magnéticos. Os ímanes são utilizados para reciclar o lixo metálico (as latas de aço para alimentos são fortemente magnéticas mas as latas de alumínio para bebidas não são, pelo que um íman é uma forma fácil de separar os dois metais diferentes).

NMR body scanner>p>P>Photo: Um scanner NMR como este constrói uma imagem adequada do corpo de um paciente (ou, neste caso, da sua cabeça) num ecrã de computador utilizando a actividade magnética dos átomos no seu tecido corporal. Pode-se ver o paciente a entrar no scanner na parte superior e a imagem da sua cabeça no ecrã abaixo. Foto por cortesia deWarren Grant Magnuson Clinical Center(CC) e USNational Institutes of Health (NIH).

Que materiais são magnéticos?

Iron é o rei dos materiais magnéticos – o metal em que todos pensamos quando pensamos em ímanes. A maioria dos outros metais comuns (tais como cobre, ouro, prata e alumínio) são, à primeira vista, não magnéticos e a maioria dos não metais (incluindo papel, madeira, plástico, betão, vidro, e têxteis tais como algodão e lã) são também não magnéticos. Mas o ferro não é o único metal magnético. Níquel, cobalto, e elementos que pertencem a uma parte da Tabela Periódica (os químicos de arranjo ordenado utilizados para descrever todos os elementos químicos conhecidos) conhecidos como os metais raro-terrosos (nomeadamente o samário e o neodímio) também fazem bons imanes. Alguns dos melhores ímanes são ligas (misturas) destes elementos com um outro e com outros elementos. Os ferrites (compostos feitos de ferro, oxigénio e outros elementos) também produzem magníficos ímanes. Lodestone (que também é chamado magnetite) é um exemplo de uma ferrite que se encontra normalmente dentro da Terra (tem a fórmula química FeO-Fe2O3).

Materiais como o ferro transformam-se em bons ímanes temporários quando se coloca um íman temporário perto deles, mas tendem a perder algum ou todo o seu magnetismo quando se retira o íman novamente. Pelo contrário, as ligas de ferro e os metais raros da Terra retêm a maior parte do seu magnetismo, mesmo quando os retiramos de um campo magnético, sem dúvida que fazem bons ímanes permanentes. Chamamos a esses materiais magneticamente duros.

É verdade que todos os materiais são ou magnéticos ornonmagnéticos? As pessoas costumavam pensar assim, mas os cientistas sabem agora que os materiais que consideramos não magnéticos são também afectados pelo magnetismo, extremamente fraco. A medida em que um material pode ser magnetizado é chamada a sua susceptibilidade.

Como diferentes materiais reagem ao magnetismo

Os cientistas têm uma série de palavras diferentes para descrever o comportamento dos materiais quando os pomos perto de um íman (que é outra forma de dizer quando os pomos dentro de um campo magnético). Em termos gerais, candividimos todos os materiais em dois tipos chamados paramagnéticos e diamagnéticos, enquanto alguns dos materiais paramagnéticos são tambémferromagnéticos. É importante que fique claro o que estas palavras confusas realmente significam…

Paramagnetic

Faça uma amostra de um material magnético e pendure-o num fio de modo a que se agarre a um campo magnético, e magnetize e alinhe-se de modo a que o magnetismo seja paralelo ao campo. Como as pessoas sabem há milhares de anos, esta é exactamente a forma como uma agulha de bússola se comporta no campo magnético terrestre. Os materiais que se comportam desta forma são chamados paramagnéticos. Metais como o alumínio e os mais não metálicos (que se pode pensar que não são de todo magnéticos) são na realidade paramagnéticos, mas sem que nos apercebamos de que não reparamos. O paramagnetismo depende da temperatura: quanto mais quente for um material, menos provável é que seja afectado por ímanes de proximidade.

P>Foto: Pensamos no alumínio (utilizado em latas de bebidas como estas) como não magnético. Isso ajuda-nos a separar para reciclagem as nossas latas de alumínio (que não se colam aos ímanes) das nossas latas de aço (que o fazem). Na verdade, ambos os materiais são magnéticos. A diferença é que o alumínio é muito pouco paramagnético, enquanto que o aço é fortemente ferromagnético. Foto cortesia da US Air Force.

Ferromagnetic

alguns materiais paramagnéticos, nomeadamente o ferro e os rare-Earthmetals, ficam fortemente magnetizados num campo e geralmente permanecem magnetizados mesmo quando o campo é removido. Dizemos que materiais como este sãoferromagnéticos, o que na realidade significa apenas que são “magnéticos como o ferro”. Contudo, um material ferromagnético ainda perderá o seu magnetismo se o aquecer acima de um certo ponto, conhecido como a sua temperatura Curie. O ferro tem uma temperatura Curie de770°C(1300°F), enquanto que para o níquel a temperatura Curie é de ~355°C (~670°F). Se aquecer um íman de ferro a 800°C (~1500°F), deixa de ser imã. Também se pode destruir ou enfraquecer o ferromagnetismo se se atingir o íman de imã.

Diamagnético

Podemos pensar nos materiais paramagnéticos e ferromagnéticos como sendo “ventiladores” do magnetismo: num certo sentido, eles “gostam” do magnetismo e respondempositivamente a ele, permitindo-se magnetizar. Nem todos os materiais respondem de forma tão entusiástica. Se pendurarmos somaterials em campos magnéticos, eles ficam bastante agitados no seu interior e resistem: transformam-se em ímanes temporários para resistir à magnetização e repelem fracos campos magnéticos fora de si. Chamamos diamagnéticos a estes materiais. A água e muitas substâncias orgânicas (à base de carbono), tais como o benzeno, comportam-se desta forma. Amarrar material adiamagnético a um fio e pendurá-lo num campo magnético e este virar-se-á de modo a fazer um ângulo de 180° com o campo.

O que causa o magnetismo?

No início do século XX, antes de os cientistas compreenderem devidamente a estrutura dos átomos e a forma como funcionam, chegaram a uma ideia fácil de compreender chamada teoria do domínio para explicar o magnetismo. Alguns anos mais tarde, quando compreenderam melhor os átomos, descobriram que a teoria do domínio ainda funcionava, mas que ela própria podia ser explicada, a um nível mais profundo, pela teoria dos átomos. Todos os diferentes aspectos do magnetismo que observamos podem ser explicados, em última análise, falando de domínios, electrões em átomos, ou de ambos. Vejamos as duas teorias, por sua vez.

Explicar o magnetismo com a teoria do domínio

Imagine uma fábrica algures que faz pequenos ímanes de barra e de navio para as escolas para as suas aulas de ciências. Imagine um tipo chamado Dave que tem de conduzir o seu camião, transportando muitas caixas de cartão, cada uma com um íman no seu interior, para uma escola diferente. Dave não tem tempo para se preocupar de que forma as caixas estão empilhadas, por isso empilha-as dentro do seu camião de qualquer maneira. O íman dentro de uma caixa pode apontar para norte, enquanto que o que está ao seu lado aponta para sul, este ou oeste. No geral, os ímanes estão todos misturados, pelo que, mesmo que os campos magnéticos vazem de cada caixa, todos se anulam uns aos outros.

A mesma fábrica emprega outro camionista chamado Bill que não podia ser mais diferente. Consegues ver o que vai acontecer? O campo magnético de uma caixa irá alinhar-se com o campo de todas as outras caixas… transformando efectivamente o camião num íman gigante. A cabina será como um pólo norte gigante e a traseira do camião um enorme pólo sul!

O que acontece no interior destes dois camiões é o que acontece numa escala minúscula dentro de materiais magnéticos. De acordo com a teoria do domínio, algo parecido com uma barra de ferro contém pequenas bolsas chamadas domínios. Cada domínio é um pouco como uma caixa com um íman dentro. Vê para onde nos dirigimos? A barra de ferro é tal e qual o camião. Normalmente, todas as suas “caixas” a bordo são dispostas ao acaso e não há magnetismo geral: o ferro não é magnetizado. Mas arrume todas as “caixas” em ordem, faça-as todas enfrentar da mesma maneira, e obtém-se um campo magnético global: ei presto, a barra é magnetizada. Quando se leva um íman até uma barra de ferro não magnetizada e se acaricia a sua forma sistemática e repetidamente para cima e para baixo, o que se está a fazer é arrumar todas as “caixas” magnéticas (domínios) dentro para que apontem da mesma maneira.

br>A teoria do domínio explica o que acontece nos insidematerials quando estes são magnetizados. Num material não magnetizado (esquerda), os domínios são dispostos de forma aleatória, pelo que não existe um campo magnético global. Quando se magnetiza um material (à direita), acarretando uma barra magnetizada repetidamente na mesma direcção, os domínios reordenam os campos magnéticos, produzindo um campo magnético combinado na mesma direcção.

Esta teoria explica como o magnetismo pode surgir, mas poderá explicar algumas das outras coisas que sabemos sobre ímanes? Se se cortar um íman ao meio, sabe-se que se obtém dois ímanes, cada um com um pólo norte e um pólo sul. Isso faz sentido de acordo com a teoria do domínio. Se se cortar um íman ao meio, obtém-se um íman mais pequeno que ainda está cheio de domínios, e estes podem ser dispostos de norte a sul, tal como no íman original. E a forma como o magnetismo desaparece quando se atinge um íman de aquecimento magnético? Isso também pode ser explicado. Imagine novamente a carrinha cheia de caixas de encomendas. Conduza-a erraticamente, a uma velocidade realmente alta, e é como sacudi-la ou martelá-la. Todas as caixas vão misturar-se e enfrentar diferentes formas e o magnetismo geral desaparecerá. O aquecimento das caixas agita-as internamente e misturá-las da mesma forma.

Explicar o magnetismo com a teoria atómica

A teoria do domínio é suficientemente fácil de compreender, mas não é uma explicação completa. Sabemos que as barras de ferro não estão cheias de caixas cheias de ímanes imanes – e, se pensarmos bem, tentar explicar um íman dizendo que está cheio de ímanes mais pequenos não é realmente uma explicação, porque suscita imediatamente a questão: de que são feitos esses ímanes mais pequenos? Felizmente, há outra teoria a que não podemos recorrer.

Voltar no século XIX, os cientistas descobriram que podiam usar a electricidade para fazer magnetismo e o magnetismo para fazer electricidade. JamesClerk Maxwell disse que os dois fenómenos eram realmente aspectos diferentes da mesma coisa – o magnetismo – como dois lados do mesmo pedaço de papel. O electromagnetismo foi uma ideia brilhante, mas foi mais uma descrição do que uma explicação: mostrou como as coisas eram, em vez de explicar porque é que eram assim. Foi até ao século XX, quando mais tarde os cientistas vieram a compreender o mundo dentro dos átomos, que a explicação para o electromagnetismo finalmente apareceu.

Sabemos que tudo é feito de átomos e que os átomos são feitos de um nódulo central de matéria chamado núcleo. As partículas minúsculas calledelectrónicas movem-se em órbita em torno do núcleo, um pouco como satélites no céu sobre nós, mas também giram no seu eixo ao mesmo tempo (tal como os topos girando). Sabemos que os electrões transportam correntes eléctricas (fluxos de electricidade) quando se movimentam através de materiais como os metais. Os electrões são, num certo sentido, pequenas partículas de electricidade. Agora, no século XIX, os cientistas sabiam que o mademagnetismo da electricidade em movimento. No século XX, tornou-se claro que o magnetismo era causado pelo movimento de electrões dentro dos átomos e pela criação de campos magnéticos à sua volta. Os domínios são na realidade grupos de átomos nos quais os spinningelectrons produzem um campo magnético global apontando para um lado ou para outro.

Artwork: O magnetismo é causado por electrões que orbitam e rodam dentro dos átomos. Note-se que esta imagem não é desenhada à escala: a maior parte de um átomo é espaço vazio e os electrões estão na realidade muito mais longe do núcleo do que eu desenhei aqui.

Tal como a teoria do domínio, a teoria atómica pode explicar muitas das coisas que sabemos sobre ímanes, incluindo o paramagnetismo (a forma como os materiais magnéticos se alinham com os campos magnéticos). A maioria dos electrões de um átomo existe em pares que giram em direcções opostas, pelo que o efeito magnético de um electrão num par cancela o efeito do seu parceiro. Mas se um átomo tem alguns electrões não pareados (os átomos de ferro têm quatro), estes produzem campos magnéticos de rede que se alinham um com o outro e transformam todo o átomo num mini íman. Quando se coloca um material paramagnético como o ferro num campo magnético, os electrões mudam de movimento para produzir um campo magnético que se alinha com o campo exterior.

E o diamagnetismo? Nos materiais diamagnéticos, não existem electrões não reparados, pelo que isto não acontece. Os átomos têm pouco ou nenhum magnetismo geral e são lessaffectados por campos magnéticos exteriores. No entanto, os electrões em órbita são partículas carregadas electricamente e, quando se movem num campo magnético, comportam-se como quaisquer outras partículas carregadas electricamente num campo magnético e experimentam uma força. Isso altera muito ligeiramente as suas órbitas, produzindo algum magnetismo líquido que se opõe à própria coisa que o provoca (de acordo com o clássico bit da teoria electromagnética conhecida como lei de Lenz, que está relacionada com a lei da conservação da energia). Como resultado, o fraco campo magnético que produzem opõe-se ao campo magnético que o provoca – que é exactamente o que vemos quando os materiais diamagnéticos tentam “combater” o campo magnético em que são colocados.

Uma breve história de magnetismo

• Mundo antigo: O magnetismo é conhecido dos antigos gregos, romanos e chineses. Os chineses utilizam bússolas geomaníticas (aquelas com inscrições de madeira dispostas em anéis em torno de uma agulha magnética central) emFeng Shui. Os ímanes ganham o seu nome de Manisa na Turquia, um placeonce chamado Magnesia, onde se encontrava um lodestone magnético no solo.
• século XIII: As bússolas magnéticas são utilizadas pela primeira vez para navegação em nações ocidentais. O francês Petrus Perigrinus (também chamado Peterof Maricourt) faz os primeiros estudos próprios do magnetismo.
• século XVII: O médico e cientista inglês William Gilbert(1544-1603) publica On Magnets, o seu estudo científico monumental do magnetismo, e propõe que a Terra é um íman gigante.
• século XVIII: O inglês John Michell(1724-93) e o francês CharlesAugustin de Coulomb (1736-1806) estudam os ímanes de força que os ímanes de força podem exercer. Coulomb também faz estudos importantes sobre electricidade, mas não consegue ligar electricidade e magnetismo como partes do mesmo fenómeno.

li> século XIX: O dinamarquês Hans Christian Oersted(1777-1851), os franceses André-Marie Ampère(1775-1836) e Dominique Arago(1786-1853), e o inglês Michael Faraday(1791-1867) exploram as ligações de proximidade entre a electricidade e o magnetismo. JamesClerk Maxwell (1831-1879) publica uma explicação relativamente completa da electricidade e do magnetismo (a teoria do magnetismolectromagnetismo) e sugere que a energia electromagnética viaja nas ondas (abrindo caminho para a invenção da rádio). Pierre Curie (1859-1906) demonstra que os materiais perdem o seu magnetismo acima de uma certa temperatura (agora conhecida como a Curietemperatura). Wilhelm Weber (1804-1891)desenvolve métodos práticos para detectar e medir a força de um campo magnético.li> século 20: Paul Langevin (1872-1946) elabora o trabalho de onCurie com uma teoria que explica como o magnetismo é afectado pelo calor. O francofísico Pierre Weiss (1865-1940) propõe que existem partículas chamadas magnetrões, equivalentes aos electrões, que causam as propriedades magnéticas dos materiais e delineia a teoria dos domínios magnéticos.Dois cientistas americanos, Samuel Abraham Goudsmit(1902-78) e George Eugene Uhlenbeck(1900-88), mostram como as propriedades magnéticas dos materiais resultam do movimento de giro dos electrões no seu interior.