O magnetismo é um aspecto da força eletromagnética combinada.

Refere-se a fenômenos físicos decorrentes da força causada por ímãs, objetos que produzem campos que atraem ou repelem outros objetos.

Limalhas de ferro atraídas por um ímã em ferradura mostram o campo magnético. Crédito da imagem: shutterstock/Milan B

Um campo magnético exerce uma força sobre as partículas no campo devido à força de Lorentz, de acordo com o site HyperPhysics da Georgia State University. O movimento de partículas eletricamente carregadas dá origem ao magnetismo. A força que atua sobre uma partícula eletricamente carregada em um campo magnético depende da magnitude da carga, da velocidade da partícula e da força do campo magnético.

Todos os materiais experimentam magnetismo, alguns mais fortemente do que outros. Os ímãs permanentes, feitos de materiais como o ferro, experimentam os efeitos mais fortes, conhecidos como ferromagnetismo. Com raras exceções, esta é a única forma de magnetismo forte o suficiente para ser sentido pelas pessoas.

OS OPOSTOS SE ATRAEM

Os campos magnéticos são gerados por cargas elétricas em rotação, de acordo com a HyperPhysics. Todos os elétrons têm uma propriedade de momento angular ou spin. A maioria dos elétrons tende a formar pares em que um deles é “spin para cima” e o outro é “spin para baixo”, de acordo com o  Princípio de Exclusão de Pauli, que afirma que dois elétrons não podem ocupar o mesmo estado de energia ao mesmo tempo. Nesse caso, seus campos magnéticos estão em direções opostas, então eles se cancelam. No entanto, alguns átomos contêm um ou mais elétrons desemparelhados cujo spin pode produzir um campo magnético direcional. A direção de seu giro determina a direção do campo magnético, de acordo com o Centro de Recursos de Testes Não Destrutivos (NDT). Quando uma maioria significativa de elétrons desemparelhados está alinhada com seus spins na mesma direção, eles se combinam para produzir um campo magnético que é forte o suficiente para ser sentido em uma escala macroscópica. 

As fontes de campo magnético são dipolares, possuindo um polo magnético norte e sul. Os polos opostos (N e S) se atraem e os polos semelhantes (N e N, ou S e S) se repelem, de acordo com Joseph Becker, da San Jose State University. Isso cria um campo toroidal, ou em forma de donut, conforme a direção do campo se propaga para fora do polo norte e entra pelo polo sul. 

A própria Terra é um ímã gigante. O planeta obtém seu campo magnético da circulação de correntes elétricas dentro do núcleo metálico derretido, de acordo com a HyperPhysics. Uma bússola aponta para o norte porque a pequena agulha magnética nela está suspensa para que possa girar livremente dentro de seu invólucro para se alinhar com o campo magnético do planeta. Paradoxalmente, o que chamamos de Polo Norte Magnético é na verdade um polo magnético sul porque atrai os polos magnéticos norte das agulhas da bússola.

FERROMAGNETISMO

Se o alinhamento de elétrons desemparelhados persistir sem a aplicação de um campo magnético externo ou corrente elétrica, ele produz um ímã permanente. Os ímãs permanentes são o resultado do ferromagnetismo. O prefixo "ferro" refere-se ao ferro porque o magnetismo permanente foi observado pela primeira vez em uma forma de minério de ferro natural chamada magnetita, Fe₃O₄. Pedaços de magnetita podem ser encontrados espalhados na superfície da Terra ou próximos a ela e, ocasionalmente, uma delas será magnetizada. Esses ímãs naturais são chamados de magnetitas. “Ainda não temos certeza de sua origem, mas a maioria dos cientistas acreditam que a magnetita é um ímã que foi atingido por um raio”, de acordo com a Universidade do Arizona. 

As pessoas logo aprenderam que podiam magnetizar uma agulha de ferro acariciando-a com um ímã, fazendo com que a maioria dos elétrons desemparelhados na agulha se alinhasse em uma direção. De acordo com a NASA, por volta de 1000 dC, os chineses descobriram que um ímã flutuando em uma tigela de água sempre se alinhava na direção norte-sul. A bússola magnética tornou-se assim um tremendo auxílio à navegação, especialmente durante o dia e à noite, quando as estrelas estavam escondidas pelas nuvens. 

Outros metais, além do ferro, têm propriedades ferromagnéticas. Isso inclui níquel, cobalto e alguns metais de terras raras, como samário ou neodímio, que são usados para fazer ímãs permanentes superfortes.

OUTRAS FORMAS DE MAGNETISMO

O magnetismo assume muitas outras formas, mas com exceção do ferromagnetismo, eles são geralmente muito fracos para serem observados, exceto por instrumentos de laboratório sensíveis ou em temperaturas muito baixas. O diamagnetismo foi descoberto pela primeira vez em 1778 por Anton Brugnams, que usava ímãs permanentes em sua busca por materiais contendo ferro. De acordo com Gerald Küstler, um pesquisador e inventor alemão independente amplamente publicado, em seu artigo,  "Levitação Diamagnética - Marcos Históricos",  publicado no Jornal Romeno de Ciências Técnicas, Brugnams observou: "Apenas o bismuto escuro e quase violeta exibia um fenômeno particular no estudo; pois quando coloquei um pedaço dele sobre uma folha de papel redonda flutuando sobre a água, ele foi repelido por ambos os polos do ímã.”

Foi determinado que o bismuto tem o diamagnetismo mais forte de todos os elementos, mas, como Michael Faraday descobriu em 1845, é uma propriedade de toda matéria ser repelida por um campo magnético. 

O diamagnetismo é causado pelo movimento orbital dos elétrons, criando pequenos loops de corrente, que produzem campos magnéticos fracos, de acordo com a HyperPhysics. Quando um campo magnético externo é aplicado a um material, esses loops de corrente tendem a se alinhar de forma a se opor ao campo aplicado. Isso faz com que todos os materiais sejam repelidos por um ímã permanente; no entanto, a força resultante geralmente é muito fraca para ser perceptível. Existem, no entanto, algumas exceções notáveis. 

O carbono pirolítico, uma substância semelhante a grafite, mostra um diamagnetismo ainda mais forte do que o bismuto, embora apenas ao longo de um eixo, e pode realmente ser levitado acima de um ímã super-forte de terras raras. Certos materiais supercondutores mostram diamagnetismo ainda mais forte abaixo de sua temperatura crítica e, portanto, ímãs de terras raras podem levitar acima deles. (Em teoria, por causa de sua repulsão mútua, um pode ser levitado acima do outro.)

O paramagnetismo ocorre quando um material se torna magnético temporariamente quando colocado em um campo magnético e retorna ao seu estado não magnético assim que o campo externo é removido. Quando um campo magnético é aplicado, alguns dos spins de elétrons desemparelhados se alinham com o campo e superam a força oposta produzida pelo diamagnetismo. No entanto, o efeito só é perceptível em temperaturas muito baixas, de acordo com Daniel Marsh, professor de física da Missouri Southern State University. 

Outras formas mais complexas incluem o antiferromagnetismo, no qual os campos magnéticos de átomos ou moléculas se alinham um ao lado do outro; e o comportamento do vidro giratório, que envolve interações ferromagnéticas e antiferromagnéticas. Além disso, o ferrimagnetismo pode ser pensado como uma combinação de ferromagnetismo e antiferromagnetismo devido a muitas semelhanças compartilhadas entre eles, mas ainda tem sua própria singularidade, de acordo com a Universidade da Califórnia, Davis. 

ELETROMAGNETISMO

Quando um fio é movido em um campo magnético, o campo induz uma corrente no fio. Por outro lado, um campo magnético é produzido por uma carga elétrica em movimento. Isso está de acordo com a Lei da Indução de Faraday, que é a base para eletroímãs, motores elétricos e geradores. Uma carga que se move em linha reta, como por meio de um fio reto, gera um campo magnético que se forma em espiral ao redor do fio. Quando esse fio é formado em um laço, o campo assume a forma de um donut, ou um toro. De acordo com o Magnetic Recording Handbook (Springer, 1998) da Marvin Cameras, este campo magnético pode ser bastante reforçado pela colocação de um núcleo de metal ferromagnético dentro da bobina. 

Em algumas aplicações, a corrente contínua é usada para produzir um campo constante em uma direção que pode ser ligado e desligado com a corrente. Este campo pode então desviar uma alavanca de ferro móvel causando um clique audível. Essa é a base do telégrafo, inventado na década de 1830 por Samuel FB Morse, que permitia a comunicação de longa distância por fios usando um código binário baseado em pulsos de longa e curta duração. Os pulsos eram enviados por operadores qualificados que rapidamente ligavam e desligavam a corrente usando uma chave ou chave de contato momentâneo com mola. Outro operador na extremidade receptora traduziria então os cliques audíveis de volta em letras e palavras. 

Uma bobina em torno de um ímã também pode ser feita para se mover em um padrão de frequência e amplitude variáveis para induzir uma corrente em uma bobina. Esta é a base para vários dispositivos, principalmente o microfone. O som faz com que o diafragma se mova para dentro e para fora com as ondas de pressão variáveis. Se o diafragma estiver conectado a uma bobina magnética móvel ao redor de um núcleo magnético, ele produzirá uma corrente variável que é análoga às ondas sonoras incidentes. Este sinal elétrico pode então ser amplificado, gravado ou transmitido conforme desejado. Minúsculos ímãs superfortes de terras raras agora estão sendo usados para fazer microfones miniaturizados para telefones celulares, disse Marsh.

Quando esse sinal elétrico modulado é aplicado a uma bobina, ele produz um campo magnético oscilante, que faz com que a bobina se mova para dentro e para fora sobre um núcleo magnético no mesmo padrão. A bobina é então fixada a um cone de alto-falante móvel para que possa reproduzir ondas sonoras audíveis no ar. A primeira aplicação prática para o microfone e alto-falante foi o telefone, patenteado por Alexander Graham Bell em 1876. Embora essa tecnologia tenha sido aprimorada e refinada, ainda é a base para a gravação e reprodução de som. 

As aplicações dos eletroímãs são quase incontáveis. A Lei da Indução de Faraday forma a base de muitos aspectos de nossa sociedade moderna, incluindo não apenas motores e geradores elétricos, mas eletroímãs de todos os tamanhos. O mesmo princípio usado por um guindaste gigante para levantar carros de sucata em um ferro-velho também é usado para alinhar partículas magnéticas microscópicas em uma unidade de disco rígido de computador para armazenar dados binários, e novas aplicações estão sendo desenvolvidas todos os dias. 

A redatora Tanya Lewis contribuiu para este artigo.

RECURSOS ADICIONAIS

• O National High Magnetic Field Laboratory é o maior e mais poderoso laboratório de ímãs do mundo. Os pesquisadores usam as instalações gratuitamente para estudar materiais, energia e vida.
• A Internet Plasma Physics Education Experience possui um módulo interativo sobre os conceitos básicos envolvidos com eletricidade e magnetismo.
• O Goddard Space Flight Center da NASA apresenta essas lições sobre a "História da Eletricidade e Magnetismo" e "A Exploração da Magnetosfera da Terra".

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Referência:

LUCAS, Jim. What Is Magnetism? | Magnetic Fields & Magnetic Force. Live Science, 28, jul. 2015. Disponível em: <https://www.livescience.com/38059-magnetism.html>. Acesso em: 27, nov. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.