Como funcionam os ímãs: polos, elétrons e o ferro

O magnetismo se resume a elétrons, segundo o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético dos EUA (o MagLab). Todo ímã tem um polo norte e um polo sul, polos opostos se atraem e polos iguais se repelem.

1. O que todo ímã tem em comum

O MagLab lista algumas propriedades que todos os ímãs compartilham:

• Todo ímã tem um polo norte e um polo sul.
• Polos opostos se atraem e polos iguais se repelem. O norte puxa o sul; o norte empurra o norte.
• Todo ímã é cercado por um campo magnético. Por convenção, as linhas do campo saem do polo norte e entram no polo sul.

A própria Terra é um ímã gigante. O MagLab explica que os cientistas acreditam que o campo magnético da Terra vem de correntes de convecção no núcleo externo líquido do planeta, feito em grande parte de ferro. Isso se chama geodínamo.

2. Tudo se resume a elétrons

Segundo o MagLab, todo magnetismo se resume a elétrons, de duas maneiras:

1. Elétrons em movimento. Uma corrente elétrica, que é um fluxo de elétrons por um fio, sempre cria um campo magnético. É assim que funcionam os eletroímãs.
2. Elétrons girando. Em ímãs permanentes, como o da sua geladeira, o magnetismo vem do spin dos elétrons. Cada elétron age como um minúsculo ímã com seu próprio polo norte e sul, e seu eixo pode apontar em uma de duas direções possíveis.

3. Por que a maioria das coisas não é magnética

Se cada elétron é um minúsculo ímã, por que nem tudo é magnético?

O MagLab explica que, na maioria dos materiais, os átomos estão arranjados de modo que a orientação magnética de um elétron cancele a de outro. Todos esses minúsculos ímãs apontam em direções opostas, e seus efeitos somam um total imperceptível.

4. O que torna o ferro especial: domínios magnéticos

O ferro e algumas outras substâncias são diferentes. Seus átomos se agrupam em pequenas regiões chamadas domínios magnéticos. Dentro de cada domínio, os elétrons compartilham a mesma orientação magnética.

Então por que um prego de ferro comum não é um ímã? Porque os próprios domínios apontam em direções diferentes, de modo que, no total, ainda se cancelam.

Coloque esse prego em um campo magnético e os domínios começam a se alinhar na mesma direção. O MagLab descreve o resultado de forma simples: um ímã permanente é um objeto em que todos os domínios estão alinhados do mesmo jeito.

Materiais que se comportam assim são chamados de ferromagnéticos. O MagLab observa que apenas quatro elementos são ferromagnéticos à temperatura ambiente e podem ser magnetizados permanentemente: ferro, níquel, cobalto e gadolínio. Um quinto, o disprósio, só se torna ferromagnético em baixas temperaturas. O alumínio não está nessa lista, e é por isso que um ímã escorrega de uma lata de refrigerante de alumínio. A porta de uma geladeira, por outro lado, é um dos ímãs temporários do dia a dia que o MagLab lista em sua atividade de sala de aula.

5. Ímãs permanentes e ímãs temporários

Os ímãs permanentes mantêm o magnetismo sem nenhuma energia. Não dá para desligá-los. O MagLab cita os ímãs de cerâmica e o alnico, uma liga de alumínio, níquel e cobalto, como dois tipos comuns.

Os ímãs temporários agem como ímãs apenas enquanto estão em um campo magnético. O ferro macio se comporta assim, e o MagLab observa que é por isso que ele é usado como ímã temporário em dispositivos como telefones e motores elétricos.

Dá para ver isso com clipes de papel. Em uma atividade de sala de aula do MagLab, um clipe encostado em um ímã vira um ímã e consegue segurar um segundo clipe. Se você afastar os dois clipes com cuidado, eles continuam grudados um no outro por um tempo, porque seus elétrons ainda estão organizados. Se você os deixar cair sobre uma mesa, o impacto bagunça essa ordem e o magnetismo se perde.

6. Como os ímãs perdem a força

"Permanente" não significa para sempre. O MagLab descreve duas maneiras principais de desmagnetizar um ímã:

• Calor. Adicionar calor adiciona energia que perturba o alinhamento. A temperatura em que um ímã não consegue mais manter seu campo é chamada de ponto de Curie.
• Impacto. Uma pancada forte, como a de um martelo, pode tirar domínios alinhados do alinhamento.

A duração de um ímã depende do material. O MagLab observa que o ferro puro permanece magnetizado por apenas alguns minutos, enquanto muitas ligas de ferro mantêm o magnetismo por muito mais tempo.

7. Eletroímãs: ímãs com interruptor

Em 1819, Hans Christian Ørsted percebeu que a agulha de uma bússola girava quando estava perto de um fio com corrente. O MagLab explica o motivo: a corrente sempre gera um campo magnético circulando em volta do fio.

Um único fio reto produz um campo fraco. O MagLab descreve como torná-lo mais forte:

1. Enrole o fio em bobina. Fazer voltas combina os campos separados em um muito mais forte. Uma bobina assim se chama solenoide, e seu campo aumenta em proporção ao número de espiras. Dez espiras dão cerca de 10 vezes o campo de uma.
2. Adicione um núcleo de ferro. Os domínios do ferro se alinham com o campo da bobina e o reforçam bastante sem gastar mais eletricidade.
3. Aumente a corrente. Mais potência na bobina significa um campo mais forte.

Desligue a corrente e o campo desaparece.

8. Qual é a força de um ímã?

Os cientistas medem a intensidade do campo magnético em tesla e gauss, sendo que 1 tesla equivale a 10.000 gauss. O MagLab dá algumas comparações:

Os eletroímãs podem chegar muito mais alto do que os ímãs permanentes, e é por isso que laboratórios de pesquisa e aparelhos de ressonância magnética (RM) de hospitais dependem deles.

9. Principais pontos

• Todo ímã tem um polo norte e um polo sul; polos opostos se atraem e polos iguais se repelem.
• O magnetismo vem dos elétrons, seja fluindo como corrente, seja girando sobre si mesmos.
• Na maioria dos materiais, os ímãs dos elétrons se cancelam; no ferro e em alguns outros metais, eles se alinham em domínios.
• Um ímã permanente é um material cujos domínios apontam todos para o mesmo lado; calor ou uma pancada forte podem bagunçá-los.
• Um eletroímã é uma bobina percorrida por corrente, muitas vezes com um núcleo de ferro, e desliga quando a corrente cessa.