Há séculos que os campos magnéticos fascinam tanto os cientistas como os leigos. Desde as primeiras observações de pedras de amolar atraindo objectos de ferro até aos últimos avanços em materiais e tecnologias magnéticas, o estudo dos campos magnéticos conduziu a uma compreensão mais profunda das leis fundamentais da natureza e ao desenvolvimento de inúmeras conveniências modernas.
Este artigo levá-lo-á numa viagem através da ciência dos campos magnéticos, desde os seus princípios fundamentais até à investigação de ponta que está a alargar as fronteiras deste campo excitante. Exploraremos os princípios básicos do magnetismo, as propriedades dos materiais magnéticos e as várias formas como os campos magnéticos são gerados e aproveitados para aplicações práticas. Iremos também mergulhar nos domínios mais exóticos dos fenómenos magnéticos, como a supercondutividade, o magnetismo quântico e a procura de novos materiais com propriedades magnéticas extraordinárias.
Noções básicas de magnetismo
O magnetismo é uma propriedade fundamental da matéria que resulta do movimento de cargas eléctricas. Os exemplos mais conhecidos de magnetismo são a atração entre pólos opostos de ímanes e a repulsão entre pólos semelhantes. Os ímanes são objectos que têm um momento magnético líquido, o que significa que os momentos magnéticos dos átomos ou moléculas que os constituem estão alinhados numa determinada direção.
O momento magnético de um íman é uma grandeza vetorial, com magnitude e direção. A direção de um momento magnético é normalmente especificada pelo seu vetor de momento magnético, que aponta do pólo sul para o pólo norte do íman. A magnitude do momento magnético é proporcional à intensidade do campo magnético do íman.
O campo magnético é um campo de forças invisível que rodeia os objectos magnetizados e os materiais magnéticos. É responsável pelas forças de atração e repulsão experimentadas por outros ímanes ou materiais ferromagnéticos nas proximidades. A direção das linhas do campo magnético pode ser visualizada utilizando a regra da mão direita: se enrolar os dedos à volta do íman na direção do seu momento magnético, o polegar apontará na direção das linhas do campo.
A equação do campo magnético
O campo magnético gerado por um íman ou por um fio condutor de corrente pode ser descrito matematicamente utilizando a lei de Biot-Savart, que relaciona a intensidade do campo magnético num ponto do espaço com a densidade da corrente e a distância à fonte. A lei de Biot-Savart pode ser expressa como:
B = μ0/4π \* ∫ Idl × r/r^3
Onde:
* B é a intensidade do campo magnético num ponto situado na direção do vetor unitário r
* μ0 é a permeabilidade do vácuo (aproximadamente 4π × 10^-7 H/m)
* I é a densidade da corrente (corrente por unidade de área)
* dl é o elemento infinitesimal do fio condutor de corrente
* r é o vetor de posição entre o ponto de interesse e o elemento infinitesimal do fio
A lei de Biot-Savart é uma equação fundamental no eletromagnetismo e constitui a base para compreender o comportamento dos campos magnéticos em várias situações.
Materiais magnéticos
Os materiais magnéticos são substâncias que podem ser magnetizadas, ou seja, podem tornar-se magnetizadas na presença de um campo magnético externo e manter algum grau de magnetização quando o campo externo é removido. O tipo mais comum de material magnético é o material ferromagnético, que inclui metais como o ferro, o níquel e o cobalto.
O ferromagnetismo resulta do alinhamento dos momentos magnéticos dos átomos individuais no material. Nos materiais ferromagnéticos, os momentos magnéticos dos átomos vizinhos tendem a alinhar-se na mesma direção, criando regiões de magnetização uniforme chamadas domínios. Quando um campo magnético externo é aplicado, os domínios realinham-se para minimizar a energia necessária para manter o campo magnético, fazendo com que o material fique magnetizado.
Histerese magnética
Quando um material ferromagnético é submetido a um campo magnético externo variável, a sua magnetização segue uma curva caraterística conhecida como laço de histerese. O laço de histerese é caracterizado por dois parâmetros importantes: a magnetização de saturação (Ms) e a magnetização remanente (Mr).
A magnetização de saturação é a magnetização máxima que um material pode atingir na presença de um forte campo magnético externo. A magnetização remanente é a magnetização que permanece no material depois que o campo externo é removido. A diferença entre Ms e Mr é conhecida como a perda de histerese magnética, que é proporcional à área delimitada pelo laço de histerese.
Outros tipos de magnetismo
Embora o ferromagnetismo seja a forma mais comum e familiar de magnetismo, existem outros tipos de magnetismo que resultam de mecanismos diferentes. Alguns deles incluem:
* Paramagnetismo: O paramagnetismo é uma forma fraca de magnetismo exibida por materiais que têm electrões não emparelhados nas suas orbitais atómicas ou moleculares. Na presença de um campo magnético externo, os electrões não emparelhados alinham-se com o campo, fazendo com que o material fique fracamente magnetizado. Os materiais paramagnéticos comuns incluem o alumínio, o oxigénio e alguns complexos de metais de transição.
* Diamagnetismo: O diamagnetismo é uma forma ainda mais fraca de magnetismo que está presente em todos os materiais até certo ponto. Surge do movimento dos electrões nas suas órbitas atómicas na presença de um campo magnético externo. O momento magnético resultante opõe-se ao campo aplicado, fazendo com que o material seja fracamente repelido pelo campo. Os materiais diamagnéticos mais comuns incluem o cobre, o ouro e a maioria dos não-metais.
* Antiferromagnetismo: O antiferromagnetismo é um tipo de magnetismo que ocorre em materiais onde os momentos magnéticos adjacentes se alinham em direcções opostas, resultando num momento magnético líquido de zero. Os materiais antiferromagnéticos geralmente não são ordenados magneticamente a altas temperaturas, mas podem sofrer uma transição de fase para um estado ordenado a temperaturas mais baixas. Exemplos de materiais antiferromagnéticos incluem o óxido de manganês (MnO) e o óxido de crómio (III) (Cr2O3).
Geração de campos magnéticos
Os campos magnéticos podem ser gerados de várias formas, dependendo da aplicação e da intensidade e direção do campo pretendidas. Alguns métodos comuns para gerar campos magnéticos incluem:
1. Ímanes permanentes
Os ímanes permanentes são materiais que têm um momento magnético líquido devido às suas propriedades magnéticas intrínsecas. Podem ser fabricados a partir de materiais ferromagnéticos como o neodímio, o samário ou a ferrite, que são magnetizados durante o processo de fabrico e mantêm a sua magnetização indefinidamente. Os ímanes permanentes são utilizados numa vasta gama de aplicações, desde simples ímanes utilizados para segurar notas num frigorífico até aplicações mais sofisticadas como motores eléctricos, geradores e altifalantes.
2. Electroímanes
Os electroímanes são dispositivos que utilizam uma corrente eléctrica para gerar um campo magnético. São constituídos por uma bobina de fio (o solenoide) enrolada à volta de um núcleo ferromagnético, que pode ser feito de materiais como o ferro ou o aço. Quando uma corrente eléctrica é passada através do solenoide, é gerado um campo magnético em torno da bobina. O sentido do campo pode ser invertido invertendo-se o sentido da corrente.
Os electroímanes são amplamente utilizados em aplicações onde são necessários campos magnéticos ajustáveis ou comutáveis, como em motores eléctricos, solenóides, relés e sistemas de levitação magnética (Maglev).
3. Ímanes supercondutores
Os ímanes supercondutores são um tipo especial de eletroíman que utiliza as propriedades únicas dos supercondutores para gerar campos magnéticos extremamente fortes. Os supercondutores são materiais que apresentam resistência eléctrica nula e diamagnetismo perfeito abaixo de uma temperatura crítica conhecida como temperatura de transição supercondutora (Tc). Quando uma corrente é passada através de um loop ou bobina supercondutora (um solenoide supercondutor), o campo magnético gerado pela corrente é expulso do interior do loop devido ao efeito diamagnético. Este fenómeno, conhecido como efeito Meissner, leva à criação de um campo magnético muito forte à volta da bobina supercondutora.
Os ímanes supercondutores são utilizados numa variedade de aplicações que requerem campos magnéticos extremamente fortes e estáveis, tais como em aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC), máquinas de imagiologia por ressonância magnética (MRI) e investigação em energia de fusão.
Aplicações dos campos magnéticos
Os campos magnéticos têm uma vasta gama de aplicações em vários domínios, desde a utilização quotidiana até à investigação de ponta. Algumas das aplicações mais comuns incluem:
1. Motores eléctricos e geradores
Os motores e geradores eléctricos baseiam-se na interação entre campos magnéticos e correntes eléctricas para converter energia mecânica em energia eléctrica. Num motor elétrico, uma bobina que transporta corrente (a armadura) sofre um binário quando colocada num campo magnético, fazendo-a rodar. Esta rotação é então utilizada para acionar cargas mecânicas como ventoinhas, bombas ou máquinas.
Num gerador, o processo é invertido. Um íman rotativo (o rotor) é colocado dentro de uma bobina fixa (o estator), induzindo uma corrente alternada na bobina à medida que o campo magnético atravessa os condutores. Esta corrente induzida pode então ser aproveitada para gerar eletricidade.
2. Suportes de armazenamento magnético
Os suportes de armazenamento magnético, como as unidades de disco rígido (HDD), as disquetes e a fita magnética, baseiam-se na capacidade dos materiais magnéticos para reter informações magnéticas. Os dados são armazenados nestes suportes magnetizando ou desmagnetizando pequenas regiões (bits) na superfície de um material ferromagnético. A magnetização de cada bit pode ser detectada através da passagem de uma pequena corrente através de uma cabeça de leitura muito próxima do suporte, que sofre uma força devido ao campo magnético dos bits.
Embora os suportes de armazenamento magnético tenham sido amplamente utilizados durante décadas, estão a ser gradualmente substituídos por tecnologias de armazenamento de estado sólido, como a memória flash e as unidades de estado sólido (SSD), em muitas aplicações, devido às suas taxas de transferência de dados mais elevadas, menor consumo de energia e resistência a choques mecânicos.
3. Levitação magnética
A levitação magnética, ou Maglev, é uma tecnologia que utiliza campos magnéticos para suspender e impulsionar objectos sem qualquer contacto mecânico direto. Os sistemas Maglev utilizam normalmente ímanes supercondutores para gerar campos magnéticos fortes e estáveis.
A tecnologia Maglev tem sido proposta para uma variedade de aplicações, incluindo sistemas de transporte de alta velocidade, onde oferece a possibilidade de reduzir o atrito e o desgaste, resultando em velocidades mais elevadas, menor consumo de energia e um funcionamento mais silencioso em comparação com os comboios tradicionais com rodas. No entanto, o elevado custo de desenvolvimento e manutenção da infraestrutura necessária tem limitado a adoção generalizada da tecnologia Maglev para o transporte comercial.
4. Materiais magnéticos em medicina
Os materiais e tecnologias magnéticos desempenham um papel significativo em várias aplicações médicas, incluindo imagiologia de diagnóstico, dispositivos terapêuticos e administração de medicamentos.
* Ressonância magnética (MRI): A MRI é uma técnica de imagiologia médica não invasiva que utiliza fortes ímanes supercondutores para gerar um poderoso campo magnético que alinha os protões nos tecidos do corpo. Os impulsos de radiofrequência são então utilizados para perturbar os protões alinhados, fazendo com que emitam sinais que podem ser detectados e processados para criar imagens detalhadas dos órgãos e tecidos internos.
* Nanopartículas magnéticas: As nanopartículas magnéticas (MNPs) são partículas à escala nanométrica constituídas por materiais ferromagnéticos ou paramagnéticos. Têm sido investigadas para uma variedade de aplicações biomédicas, incluindo a administração de medicamentos específicos, a terapia de hipertermia magnética para o cancro e como agentes de contraste para a ressonância magnética.
* Próteses magnéticas: Os materiais magnéticos são também utilizados no desenvolvimento de membros protésicos e outros dispositivos médicos, onde podem ser utilizados para fornecer força e binário controlados para movimento e manipulação.
Fronteiras da investigação magnética
Apesar do nosso vasto conhecimento dos campos magnéticos e das suas aplicações, existem ainda muitas questões em aberto e áreas de investigação ativa neste domínio. Algumas das fronteiras mais excitantes da investigação magnética incluem:
1. Supercondutividade a alta temperatura
A supercondutividade é o fenómeno em que certos materiais apresentam uma resistência eléctrica nula e um diamagnetismo perfeito quando arrefecidos abaixo de uma temperatura crítica. Enquanto os supercondutores tradicionais requerem temperaturas extremamente baixas (próximas do zero absoluto) para atingir a supercondutividade, a descoberta dos supercondutores de alta temperatura na década de 1980 abriu novas possibilidades para aplicações práticas.
Os supercondutores de alta temperatura (HTS) são materiais que podem exibir supercondutividade a temperaturas acima do ponto de ebulição do azoto líquido (77 K ou -196°C), tornando-os mais fáceis de arrefecer e manter num estado supercondutor. No entanto, o mecanismo subjacente à supercondutividade a alta temperatura continua a ser mal compreendido, e muita da investigação está centrada no desenvolvimento de novos materiais HTS com temperaturas críticas ainda mais elevadas e propriedades melhoradas.
2. Spintrónica
A spintrónica, ou eletrónica de spin, é um domínio emergente que visa explorar não só a carga dos electrões mas também a sua propriedade intrínseca de spin para desenvolver dispositivos electrónicos e tecnologias de armazenamento de dados da próxima geração. Os dispositivos spintrónicos utilizam a interação spin-magnética para manipular e controlar os estados de spin dos electrões, que podem ser utilizados para codificar e processar informação.
Alguns dispositivos e fenómenos spintrónicos promissores incluem transístores de spin, válvulas de spin, memória de binário de spin e portas lógicas spintrónicas. Os dispositivos spintrónicos têm potencial para atingir densidades de armazenamento de dados mais elevadas, taxas de transferência de dados mais rápidas e um menor consumo de energia em comparação com os dispositivos convencionais baseados em semicondutores.
3. Magnetismo Quântico
O magnetismo quântico é um domínio em rápida evolução que investiga o comportamento dos materiais e sistemas magnéticos a nível quântico. Esta área de investigação combina conceitos da física da matéria condensada, da mecânica quântica e da ciência dos materiais para compreender e manipular as propriedades únicas dos materiais magnéticos à escala atómica e subatómica.
Um dos fenómenos mais intrigantes do magnetismo quântico é a transição de fase quântica, que ocorre quando um material magnético sofre uma alteração súbita das suas propriedades magnéticas em resultado de pequenas alterações de parâmetros externos como a temperatura, a pressão ou o campo magnético. A compreensão e o controlo destas transições de fase quânticas podem conduzir ao desenvolvimento de novos materiais e dispositivos com novas propriedades magnéticas.
4. Novos materiais magnéticos
A procura de novos materiais magnéticos com propriedades excepcionais é uma área de investigação contínua no domínio do magnetismo. Algumas das propriedades desejadas nestes materiais incluem alta magnetização, alta coercividade, altas temperaturas de Curie e forte anisotropia magnetocristalina. Estas propriedades podem levar a um melhor desempenho em aplicações existentes e permitir o desenvolvimento de novas tecnologias.
Algumas classes promissoras de materiais magnéticos em investigação incluem:
* Ímanes permanentes sem terras raras: Os elementos de terras raras como o neodímio e o samário são componentes cruciais em muitos ímanes permanentes de elevado desempenho, mas a sua disponibilidade limitada e o seu elevado custo motivaram os investigadores a procurar materiais magnéticos alternativos sem terras raras.