MAGNETISMO: PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS, USOS - FISICA - 2025

O magnetismo ou energia magnética é uma força associada ao movimento da natureza e capaz de produzir atração ou repulsão elétrica em determinadas cargas de substâncias. Os ímãs são fontes bem conhecidas de magnetismo.

Dentro delas existem interações que resultam na presença de campos magnéticos, que exercem sua influência sobre pequenos pedaços de ferro ou níquel, por exemplo.

As belas cores da aurora boreal se devem às partículas cósmicas que emitem energia ao serem desviadas pelo campo magnético da Terra. Fonte: Pixabay.

O campo magnético de um ímã torna-se visível quando ele é colocado sob um papel no qual se espalham limalhas de ferro. As limalhas são imediatamente orientadas ao longo das linhas do campo, criando uma imagem bidimensional do campo.

Outra fonte bem conhecida são os fios que transportam corrente elétrica; Mas, ao contrário dos ímãs permanentes, o magnetismo desaparece quando a corrente pára.

Sempre que um campo magnético ocorre em algum lugar, algum agente tem que trabalhar. A energia investida neste processo é armazenada no campo magnético criado e pode então ser considerada como energia magnética.

O cálculo de quanta energia magnética é armazenada no campo depende do campo e da geometria do dispositivo ou da região onde foi criado.

Indutores ou bobinas são bons lugares para fazer isso, criando energia magnética da mesma forma que a energia elétrica é armazenada entre as placas de um capacitor.

História e descoberta

Aplicativos antigos

As lendas contadas por Plínio sobre a Grécia antiga falam do pastor Magnes, que há mais de 2.000 anos encontrou um mineral misterioso capaz de atrair pedaços de ferro, mas não outros materiais. Era magnetita, um óxido de ferro com fortes propriedades magnéticas.

A razão da atração magnética permaneceu oculta por centenas de anos. Na melhor das hipóteses, foi atribuído a eventos sobrenaturais. Embora não seja por esse motivo, foram encontradas aplicações interessantes para ele, como a bússola.

A bússola inventada pelos chineses utiliza o magnetismo da própria Terra para guiar o usuário durante a navegação.

Primeiros estudos científicos

O estudo dos fenômenos magnéticos teve um grande avanço graças a William Gilbert (1544 - 1603). Este cientista inglês da era elisabetana estudou o campo magnético de um ímã esférico e concluiu que a Terra deve ter seu próprio campo magnético.

A partir de seu estudo de ímãs, ele também percebeu que não poderia obter pólos magnéticos separados. Quando um ímã é seccionado em dois, os novos ímãs também têm os dois pólos.

No entanto, foi no início do século 19 que os cientistas perceberam a existência da relação entre corrente elétrica e magnetismo.

Hans Christian Oersted (1777 - 1851), nascido na Dinamarca, teve em 1820 a ideia de fazer passar uma corrente elétrica por um condutor e observar o efeito que isso tinha em uma bússola. A bússola se desviaria e, quando a corrente parasse de fluir, a bússola apontaria novamente para o norte, como de costume.

Este fenômeno pode ser verificado aproximando a bússola de um dos cabos que saem da bateria do carro, enquanto o motor de partida está em funcionamento.

Na hora de fechar o circuito a agulha deve sofrer uma deflexão observável, já que as baterias dos carros podem fornecer correntes altas o suficiente para que a bússola se desvie.

Desta forma, ficou claro que as cargas móveis são o que dão origem ao magnetismo.

Investigações modernas

Alguns anos depois dos experimentos de Oersted, o pesquisador britânico Michael Faraday (1791 - 1867) marcou outro marco ao descobrir que campos magnéticos variáveis, por sua vez, dão origem a correntes elétricas.

Ambos os fenômenos, elétricos e magnéticos, estão intimamente relacionados entre si, cada um dando origem ao outro. Eles foram reunidos pelo discípulo de Faraday, James Clerk Maxwell (1831 - 1879), nas equações que levam seu nome.

Essas equações contêm e resumem a teoria eletromagnética e são válidas até mesmo dentro da física relativística.

Propriedades magnéticas dos materiais

Por que alguns materiais exibem propriedades magnéticas ou adquirem magnetismo facilmente? Sabemos que o campo magnético é devido ao movimento de cargas, portanto, dentro do ímã deve haver correntes elétricas invisíveis que dão origem ao magnetismo.

Toda matéria contém elétrons orbitando o núcleo atômico. O elétron pode ser comparado à Terra, que possui um movimento translacional em torno do Sol e também um movimento rotacional em seu próprio eixo.

A física clássica atribui movimentos semelhantes ao elétron, embora a analogia não seja totalmente precisa. No entanto, a questão é que ambas as propriedades do elétron fazem com que ele se comporte como um minúsculo laço que cria um campo magnético.

É o spin do elétron que mais contribui para o campo magnético do átomo. Em átomos com muitos elétrons, eles são agrupados em pares e com spins opostos. Assim, seus campos magnéticos se cancelam. Isso é o que acontece na maioria dos materiais.

No entanto, existem alguns minerais e compostos nos quais existe um elétron desemparelhado. Desta forma, o campo magnético líquido não é zero. Isso cria um momento magnético, um vetor cuja magnitude é o produto da corrente e da área do circuito.

Os momentos magnéticos adjacentes interagem entre si e formam regiões chamadas domínios magnéticos, nas quais muitos spins estão alinhados na mesma direção. O campo magnético resultante é muito forte.

Ferromagnetismo, paramagnetismo e diamagnetismo

Os materiais que possuem essa qualidade são chamados de ferromagnéticos. São alguns: ferro, níquel, cobalto, gadolínio e algumas ligas dos mesmos.

O resto dos elementos da tabela periódica carecem desses efeitos magnéticos muito pronunciados. Eles se enquadram na categoria de paramagnéticos ou diamagnéticos.

Na verdade, o diamagnetismo é uma propriedade de todos os materiais, que experimentam uma leve repulsão na presença de um campo magnético externo. O bismuto é o elemento com diamagnetismo mais acentuado.

Por outro lado, o paramagnetismo consiste em uma resposta magnética menos intensa do que o ferromagnetismo, mas igualmente atraente. As substâncias paramagnéticas são, por exemplo, alumínio, ar e alguns óxidos de ferro, como a goethita.

Usos de energia magnética

O magnetismo faz parte das forças fundamentais da natureza. Como os seres humanos também fazem parte dela, eles estão adaptados à existência dos fenômenos magnéticos, assim como ao resto da vida no planeta. Por exemplo, alguns animais usam o campo magnético da Terra para se orientar geograficamente.

Na verdade, acredita-se que os pássaros realizam suas longas migrações graças ao fato de possuírem em seus cérebros uma espécie de bússola orgânica que lhes permite perceber e utilizar o campo geomagnético.

Embora os humanos não tenham uma bússola como essa, eles têm a capacidade de modificar o ambiente de muitas maneiras mais do que o resto do reino animal. Assim, membros de nossa espécie usaram o magnetismo a seu favor desde o momento em que o primeiro pastor grego descobriu o ímã.

Algumas aplicações de energia magnética

Desde então, existem muitas aplicações do magnetismo. Aqui estão alguns:

- A citada bússola, que faz uso do campo geomagnético da Terra para se orientar geograficamente.

- Antigas telas para televisores, computadores e osciloscópios, baseadas no tubo de raios catódicos, que utilizam bobinas que geram campos magnéticos. Eles são responsáveis ​​por desviar o feixe de elétrons para que ele atinja determinados pontos da tela, formando assim a imagem.

- Espectrômetros de massa, usados ​​para estudar vários tipos de moléculas e com muitas aplicações em bioquímica, criminologia, antropologia, história e outras disciplinas. Eles fazem uso de campos elétricos e magnéticos para desviar partículas carregadas em trajetórias que dependem de sua velocidade.

- Propulsão magnetohidrodinâmica, na qual uma força magnética impulsiona um jato de água do mar (um bom condutor) para trás, de modo que, pela terceira lei de Newton, um veículo ou barco recebe um impulso para a frente.

- A ressonância magnética, método não invasivo de obtenção de imagens do interior do corpo humano. Basicamente, ele usa um campo magnético muito intenso e analisa a resposta dos núcleos de hidrogênio (prótons) presentes nos tecidos, que possuem a referida propriedade de spin.

Essas aplicações já estão estabelecidas, mas no futuro acredita-se que o magnetismo também possa combater doenças como o câncer de mama, por meio de técnicas hipertérmicas, que produzem calor induzido magneticamente.

A ideia é injetar magnetita fluida diretamente no tumor. Graças ao calor produzido pelas correntes induzidas magneticamente, as partículas de ferro se tornariam quentes o suficiente para destruir as células malignas.

Vantagens e desvantagens

Quando você pensa no uso de um determinado tipo de energia, ele exige sua conversão em algum tipo de movimento como o de uma turbina, um elevador ou um veículo, por exemplo; ou que seja transformada em energia elétrica que liga algum aparelho: telefones, televisores, caixa eletrônico e similares.

Energia é uma magnitude com múltiplas manifestações que podem ser modificadas de muitas maneiras. A energia de um pequeno ímã pode ser amplificada para que se mova continuamente mais do que algumas moedas?

Para ser utilizável, a energia deve ter um grande alcance e vir de uma fonte muito abundante.

Energias primárias e secundárias

Essas energias são encontradas na natureza, a partir da qual os outros tipos são produzidos. Eles são conhecidos como energias primárias:

- Energia solar.

- Energia Atômica.

- Energia geotérmica.

- Energia eólica.

- Energia de biomassa.

- Energia proveniente de combustíveis fósseis e minerais.

Energias secundárias, como eletricidade e calor, são produzidas a partir deles. Onde está a energia magnética aqui?

Eletricidade e magnetismo não são dois fenômenos separados. Na verdade, os dois juntos são conhecidos como fenômenos eletromagnéticos. Enquanto um deles existir, o outro existirá.

Onde há energia elétrica, haverá energia magnética de alguma forma. Mas esta é uma energia secundária, que requer a transformação prévia de algumas das energias primárias.

Características das energias primárias e secundárias

As vantagens ou desvantagens do uso de algum tipo de energia são estabelecidas de acordo com diversos critérios. Isso inclui o quão fácil e barato é sua produção e também o quanto o processo é capaz de influenciar negativamente o meio ambiente e as pessoas.

Algo importante a se ter em mente é que as energias se transformam muitas vezes antes de poderem ser usadas.

Quantas transformações devem ter ocorrido para formar o ímã que grudará a lista de compras na porta da geladeira? Quantos para construir um carro elétrico? Certamente o suficiente.

E quão limpa é a energia magnética ou eletromagnética? Há quem acredite que a exposição constante a campos eletromagnéticos de origem humana causa problemas de saúde e ambientais.

Atualmente, existem inúmeras linhas de pesquisa dedicadas ao estudo da influência dessas áreas na saúde e no meio ambiente, mas de acordo com prestigiosas organizações internacionais, até o momento não há evidências conclusivas de que sejam nocivas.

Exemplos de energia magnética

Um dispositivo que serve para conter energia magnética é conhecido como indutor. É uma bobina que é formada por um enrolamento de fio de cobre com um número de voltas suficiente, e é útil em muitos circuitos para restringir a corrente e evitar que ela mude abruptamente.

Bobina de cobre. Fonte: Pixabay.

Ao circular uma corrente pelas voltas de uma bobina, um campo magnético é criado dentro dela.

Se a corrente mudar, também mudam as linhas do campo magnético. Essas mudanças induzem uma corrente nas espiras que as opõe, de acordo com a lei de indução de Faraday-Lenz.

Quando a corrente aumenta ou diminui repentinamente, a bobina se opõe a ela, portanto, pode ter efeitos de proteção no circuito.

A energia magnética de uma bobina

A energia magnética é armazenada no campo magnético gerado no volume delimitado pelas voltas da bobina, que será denotado como U _B e que depende de:

- A intensidade do campo magnético B.

- A área da seção transversal da bobina A.

- O comprimento da bobina l.

- A permeabilidade do vácuo μ _o.

É calculado da seguinte forma:

Esta equação é válida em qualquer região do espaço onde exista um campo magnético. Conhecendo o volume V dessa região, sua permeabilidade e a intensidade do campo, é possível calcular quanta energia magnética ela possui.

Exercício resolvido

O campo magnético dentro de uma bobina cheia de ar com um diâmetro de 2,0 cm e um comprimento de 26 cm é de 0,70 T. Quanta energia é armazenada neste campo?

Solução

Os valores numéricos são substituídos na equação anterior, tendo o cuidado de converter os valores para as unidades do Sistema Internacional.

1. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. Sexta edição. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Physics 12. Pearson. 135-146.