O que um pátio de demolição, um show de rock e sua porta da frente têm em comum? Cada um deles usa eletroímãs , dispositivos que criam um campo magnético por meio da aplicação de eletricidade. Os pátios de demolição empregam eletroímãs extremamente poderosos para mover peças pesadas de sucata ou mesmo carros inteiros de um lugar para outro. Sua banda favorita usa eletroímãs para amplificar o som que sai dos alto-falantes. E quando alguém toca a campainha, um minúsculo eletroímã puxa uma campainha de metal contra uma campainha.
Mecanicamente, um eletroímã é muito simples. Consiste em um pedaço de fio condutor, geralmente de cobre, enrolado em um pedaço de metal. Como o monstro de Frankenstein , isso parece pouco mais do que uma coleção solta de peças até que a eletricidade entre em cena. Mas você não precisa esperar por uma tempestade para dar vida a um eletroímã. Uma corrente é introduzida, seja de uma bateria ou de outra fonte de eletricidade, e flui através do fio. Isso cria um campo magnético ao redor do fio enrolado, magnetizando o metal como se fosse um ímã permanente. Os eletroímãs são úteis porque você pode ligar e desligar o ímã completando ou interrompendo o circuito, respectivamente.
Antes de prosseguirmos, devemos discutir como os eletroímãs diferem de seus ímãs "permanentes" comuns , como aqueles que prendem sua arte de picolé na geladeira. Como você sabe, os ímãs têm dois pólos, "norte" e "sul", e atraem coisas feitas de aço, ferro ou alguma combinação dos dois . Os pólos semelhantes se repelem e os opostos se atraem (ah, a interseção do romance e da física). Por exemplo, se você tiver dois ímãs em barra com as extremidades marcadas "norte" e "sul", a extremidade norte de um ímã atrairá a extremidade sul do outro. Por outro lado, a extremidade norte de um ímã repelirá a extremidade norte do outro (e da mesma forma, o sul repelirá o sul). Um eletroímã funciona da mesma forma, exceto que é "temporário"
A campainha é um bom exemplo de como os eletroímãs podem ser usados em aplicações onde os ímãs permanentes simplesmente não fariam sentido. Quando um convidado pressiona o botão na porta da frente, o circuito eletrônico dentro da campainha fecha um circuito elétrico, significando que o circuito é concluído e "ligado". O circuito fechado permite que a eletricidade flua, criando um campo magnético e fazendo com que o badalo fique magnetizado. O hardware da maioria das campainhas tradicionais consiste em uma campainha de metal e uma campainha de metal que, quando o puxão magnético faz com que elas batam juntas, você ouve o sino dentro. Toca a campainha, o hóspede solta o botão, abre-se o circuito e a campainha pára o seu toque infernal. Esse magnetismo sob demanda é o que torna o eletroímã tão útil.
Neste artigo, daremos uma olhada mais de perto nos eletroímãs e descobriremos como esses dispositivos pegam alguma ciência muito legal e a aplicam a aparelhos ao nosso redor que tornam nossas vidas mais fáceis.
A História dos Eletroímãs
A relação entre eletricidade e magnetismo não foi completamente estudada até 1873, quando o físico James Maxwell observou a interação entre cargas elétricas positivas e negativas [fonte: Mahon ]. Por meio de experimentação contínua, Maxwell determinou que essas cargas se atraem ou se repelem com base em sua orientação. Ele também foi o primeiro a descobrir que os ímãs têm pólos, ou pontos individuais onde a carga está focada. E, importante para o eletromagnetismo, Maxwell observou que quando uma corrente passa por um fio, ela gera um campo magnético ao redor do fio.
O trabalho de Maxwell foi responsável por muitos dos princípios científicos em ação, mas ele não foi o primeiro cientista a fazer experiências com eletricidade e magnetismo. Quase 50 anos antes, Hans Christian Oersted descobriu que uma bússola que estava usando reagia quando uma bateria em seu laboratório era ligada e desligada [fonte: Gregory ]. Isso só aconteceria se houvesse um campo magnético presente para interferir com a agulha da bússola, então ele deduziu que um campo magnético foi gerado a partir da eletricidade que flui da bateria. Mas Oersted gravitou em torno do campo da química e deixou a pesquisa de eletricidade e magnetismo para outros [fonte: Mahon ].
O avô do eletromagnetismo é Michael Faraday , um químico e físico que arquitetou muitas das teorias posteriormente desenvolvidas por Maxwell. Uma razão pela qual Faraday é muito mais proeminente na história do que Maxwell ou Oersted é provavelmente devido a ele ser um pesquisador e inventor tão prolífico. Ele é amplamente anunciado como um pioneiro no eletromagnetismo, mas também é creditado com a descoberta da indução eletromagnética, que discutiremos mais tarde, quando explorarmos algumas aplicações do mundo real. Faraday também inventou o motor elétrico e, além de seu trabalho influente na física, ele também foi a primeira pessoa a ser nomeada para o prestigioso cargo de Professor Fulleriano de Química na Royal Institution da Grã-Bretanha. Não é muito pobre.
Então, o que o trabalho desses homens descobriu? Na próxima seção, veremos como funcionam os eletroímãs.
Como mencionamos na introdução, os eletroímãs básicos não são tão complicados; você mesmo pode construir um simples usando materiais que provavelmente tem espalhados pela casa. Um fio condutor, geralmente de cobre isolado, é enrolado em uma haste de metal. O fio ficará quente ao toque, razão pela qual o isolamento é importante. A haste na qual o fio é enrolado é chamada de solenóide , e o campo magnético resultante se irradia para longe deste ponto. A força do ímã está diretamente relacionada ao número de vezes que o fio se enrola ao redor da haste. Para um campo magnético mais forte, o fio deve ser enrolado com mais firmeza.
OK, há um pouco mais do que isso. Quanto mais apertado o fio é enrolado em torno da haste, ou núcleo, mais voltas a corrente faz em torno dele, aumentando a força do campo magnético. Além de quão firmemente o fio é enrolado, o material usado para o núcleo também pode controlar a força do ímã . Por exemplo, o ferro é um metal ferromagnético , o que significa que é altamente permeável [fonte: Boston University ]. A permeabilidade é outra maneira de descrever o quão bem o material pode suportar um campo magnético. Quanto mais condutivo um determinado material é para um campo magnético, maior sua permeabilidade.
Toda matéria, incluindo a barra de ferro de um eletroímã, é composta de átomos . Antes que o solenóide seja eletrificado, os átomos no núcleo de metal são dispostos aleatoriamente, não apontando em nenhuma direção específica. Quando a corrente é introduzida, o campo magnético penetra na haste e realinha os átomos. Com esses átomos em movimento e todos na mesma direção, o campo magnético aumenta. O alinhamento dos átomos, pequenas regiões de átomos magnetizados chamados domínios , aumenta e diminui com o nível de corrente, portanto, controlando o fluxo de eletricidade, você pode controlar a força do ímã. Chega um ponto de saturação quando todos os domínios estão alinhados, o que significa que adicionar corrente não resultará em aumento do magnetismo.
Ao controlar a corrente, você pode essencialmente ligar e desligar o ímã. Quando a corrente é desligada, os átomos voltam ao seu estado natural e aleatório e a haste perde seu magnetismo (tecnicamente, ela retém algumas propriedades magnéticas, mas não muito e não por muito tempo).
Com um ímã permanente comum, como os que seguram a foto do cachorro da família na geladeira, os átomos estão sempre alinhados e a força do ímã é constante. Você sabia que pode eliminar o poder de aderência de um ímã permanente largando-o? O impacto pode realmente fazer com que os átomos saiam do alinhamento. Eles podem ser magnetizados novamente esfregando um ímã sobre eles.
A eletricidade para alimentar um eletroímã precisa vir de algum lugar, certo? Na próxima seção, exploraremos algumas das maneiras como esses ímãs obtêm seu suco.
Visto que uma corrente elétrica é necessária para operar um eletroímã, de onde ela vem? A resposta rápida é que qualquer coisa que produza uma corrente pode alimentar um eletroímã. Desde as pequenas baterias AA usadas no controle remoto da sua TV até grandes estações de energia industriais que puxam eletricidade diretamente da rede , se armazenam e transferem elétrons, podem alimentar um eletroímã.
Vamos começar dando uma olhada em como funcionam as baterias domésticas. A maioria das baterias possui dois pólos facilmente identificáveis, um positivo e um negativo. Quando a bateria não está em uso, os elétrons se acumulam no pólo negativo. Quando as baterias são inseridas em um dispositivo, os dois pólos entram em contato com os sensores do dispositivo, fechando o circuito e permitindo que os elétrons fluam livremente entre os pólos. No caso do seu controle remoto, o dispositivo foi projetado com uma carga , ou ponto de saída, para a energia armazenada na bateria [fonte: Grossman ]. A carga coloca a energia para usar operando o controle remoto. Se você simplesmente conectasse um fio diretamente a cada extremidade de uma bateria sem carga, a energia seria drenada rapidamente da bateria.
Enquanto isso acontece, os elétrons em movimento também criam um campo magnético. Se você retirar as pilhas do controle remoto, é provável que ele retenha uma pequena carga magnética. Você não pode pegar um carro com o controle remoto, mas talvez algumas pequenas limalhas de ferro ou até mesmo um clipe de papel.
Na outra extremidade do espectro está a própria Terra. Pela definição que discutimos anteriormente, um eletroímã é criado quando correntes elétricas fluem em torno de algum núcleo ferromagnético. O núcleo da Terra é de ferro e sabemos que tem um pólo norte e um pólo sul. Estas não são apenas designações geográficas, mas verdadeiros pólos magnéticos opostos. O efeito dínamo , um fenômeno que cria correntes elétricas massivas no ferro graças ao movimento do ferro líquido pelo núcleo externo, cria uma corrente elétrica. Essa corrente gera uma carga magnética, e esse magnetismo natural da Terra é o que faz a bússola funcionar. Uma bússola sempre aponta para o norte porque a agulha de metal é atraída pela força do Pólo Norte.
Claramente, há uma ampla gama de aplicações de eletroímãs entre pequenos experimentos científicos caseiros e a própria Terra. Então, onde esses dispositivos aparecem no mundo real? Na próxima seção, veremos como nossa vida cotidiana é afetada pelo eletromagnetismo.
Muitos eletroímãs têm uma vantagem sobre os ímãs permanentes porque podem ser facilmente ligados e desligados, e aumentar ou diminuir a quantidade de eletricidade que flui ao redor do núcleo pode controlar sua força.
A tecnologia moderna depende fortemente de eletroímãs para armazenar informações usando dispositivos de gravação magnética. Quando você salva dados em um disco rígido de computador tradicional , por exemplo, pequenos pedaços de metal magnetizados são embutidos em um disco em um padrão específico para as informações salvas. Esses dados começaram a vida como linguagem de computador digital binária (0s e 1s). Quando você recupera essas informações, o padrão é convertido no padrão binário original e traduzido em uma forma utilizável. Então, o que torna isso um eletroímã? A corrente que passa pelos circuitos do computador magnetiza esses minúsculos pedaços de metal. Este é o mesmo princípio usado em gravadores, videocassetes e outras mídias baseadas em fita (e sim, alguns de vocês ainda possuem decks e videocassetes). É por isso que os ímãs às vezes pode causar estragos nas memórias desses dispositivos.
Você pode usar eletromagnetismo todos os dias se carregar um telefone ou tablet sem fio. A almofada de carga cria um campo magnético. Seu telefone possui uma antena que sincroniza com o carregador, permitindo o fluxo de corrente . Como você pode imaginar, as bobinas eletromagnéticas dentro de dispositivos como esses são pequenas, mas bobinas maiores podem carregar dispositivos maiores, como carros elétricos.
Os eletroímãs também abriram caminho para realmente aproveitar o potencial da eletricidade. Em aparelhos elétricos, o motor se move porque a corrente que flui da tomada da parede produz um campo magnético. Não é a própria eletricidade que alimenta o motor, mas a carga criada pelo ímã. A força do ímã cria um movimento de rotação, o que significa que eles giram em torno de um ponto fixo, semelhante à forma como um pneu gira em torno de um eixo.
Então, por que não pular esse processo e apenas usar a tomada para alimentar o motor em primeiro lugar? Porque a corrente necessária para alimentar um aparelho é muito grande. Você já percebeu como ligar um grande eletrodoméstico, como uma televisão ou uma máquina de lavar, às vezes pode fazer com que as luzes da sua casa pisquem? Isso ocorre porque o aparelho está consumindo muita energia inicialmente, mas essa grande quantidade é necessária apenas para dar partida no motor. Uma vez que isso aconteça, esse ciclo de indução eletromagnética assume.
De eletrodomésticos, estamos passando para algumas das máquinas mais complexas já construídas para ver como os eletroímãs estão sendo usados para desvendar as origens do universo. Aceleradores de partículas são máquinas que impulsionam partículas carregadas em direção umas às outras em velocidades incrivelmente altas para observar o que acontece quando elas colidem. Esses feixes de partículas subatômicas são muito precisos e controlar sua trajetória é fundamental para que não saiam do curso e danifiquem o maquinário. É aqui que entram os eletroímãs. Os ímãs são posicionados ao longo do caminho dos feixes em colisão e seu magnetismo é realmente usado para controlar sua velocidade e trajetória [fonte: NOVA Teachers ].
Não é um currículo ruim para nosso amigo eletroímã, hein? Desde algo que você pode criar em sua garagem até operar as ferramentas que cientistas e engenheiros estão usando para decifrar as origens do universo , os eletroímãs têm um papel muito importante no mundo ao nosso redor.
Pronto para fazer seus próprios experimentos eletromagnéticos? Leia algumas ideias divertidas.
Os eletroímãs são fáceis de fazer; apenas algumas peças de hardware e uma fonte de alimentação colocam você no caminho certo. Primeiro, você precisará dos seguintes itens:
- um prego de ferro , com pelo menos 15 centímetros de comprimento
- um comprimento de fio de cobre isolado de calibre 22
- uma bateria de célula D
Depois de ter esses itens, remova o isolamento de cada extremidade do fio de cobre, apenas o suficiente para fornecer uma boa conexão com a bateria. Enrole o fio ao redor da unha; quanto mais apertado você puder envolvê-lo, mais poderoso será o campo magnético. Finalmente, conecte a bateria conectando uma extremidade do fio ao terminal positivo e outra ao terminal negativo (não importa qual extremidade do fio é pareada com qual terminal). Presto! Um eletroímã funcional [fonte: Jefferson Lab ].
Não se cansa de experimentos eletromagnéticos práticos? Temos mais algumas ideias para você experimentar:
- Qual é a força magnética de uma única bobina enrolada em um prego? De 10 voltas de fio? De 100 voltas? Experimente diferentes números de voltas e veja o que acontece. Uma maneira de medir e comparar a "força" de um ímã é ver quantos grampos ele pode pegar.
- Qual é a diferença entre um núcleo de ferro e um núcleo de alumínio para o ímã? Por exemplo, enrole um pouco de papel alumínio firmemente e use-o como o núcleo do ímã no lugar do prego. O que acontece? E se você usar um núcleo de plástico, como uma caneta?
- E quanto aos solenóides? Um solenóide é outra forma de eletroímã. É um tubo eletromagnético geralmente usado para mover um pedaço de metal linearmente. Encontre um canudo ou uma caneta velha (remova o tubo de tinta). Encontre também um pequeno prego (ou um clipe de papel esticado) que deslize facilmente para dentro do tubo. Enrole 100 voltas de fio ao redor do tubo. Coloque o prego ou clipe de papel em uma das extremidades da bobina e conecte a bobina à bateria. Observe como o prego se move? Os solenóides são usados em todos os tipos de lugares, especialmente fechaduras. Se o seu carro tiver travas elétricas, eles podem operar usando um solenóide. Outra coisa comum a fazer com um solenóide é substituir o prego por um ímã permanente fino e cilíndrico. Em seguida, você pode mover o ímã para dentro e para fora, alterando a direção do campo magnético no solenóide. (Tenha cuidado ao tentar colocar um ímã em seu solenóide, pois o ímã pode disparar).
- Como posso saber se realmente existe um campo magnético? Você pode observar o campo magnético de um fio usando limalha de ferro. Compre algumas limalhas de ferro ou encontre suas próprias limalhas de ferro passando um ímã pelo playground ou pela areia da praia. Coloque uma leve camada de limalha em uma folha de papel e coloque o papel sobre um ímã. Bata levemente no papel e a limalha se alinhará com o campo magnético, permitindo que você veja sua forma!
Publicado originalmente: 1º de abril de 2000
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