Aplicações do Magnetismo
Os fenômenos magnéticos foram, talvez, os primeiros a despertar a curiosidade da humanidade sobre o interior da matéria. Os mais antigos relatos de experiências com a ‘força misteriosa’ da magnetita (Fe3O4), o ímã natural, são atribuídos aos gregos e datam de 800 a.C. A primeira utilização prática do magnetismo foi a bússola, inventada pelos chineses na dinastia Han, em 200 d.C., e baseada na propriedade
que uma agulha magnetizada tem de se orientar na direção do campo magnético terrestre. A bússola foi empregada em navegação pelos chineses em 900 d.C., mas só foi descoberta e usada pelo mundo ocidental a partir do século 15.
Os fenômenos magnéticos ganharam uma dimensão muito maior quatro séculos mais tarde, com a descoberta de sua relação com a eletricidade através dos trabalhos do dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), do francês André Marie Ampère (1775-1836), do inglês Michael Faraday (1791-1867) e do norte-americano Joseph Henry (1797-1878), para citar alguns poucos exemplos.
No final do século 19, diversos fenômenos já eram compreendidos e tinham inúmeras aplicações tecnológicas, das quais o motor e o geradorelétrico eram as mais importantes.
Apesar de séculos e séculos de investigações, o magnetismo em nível microscópico só foi compreendido na primeira metade do século passado, após o advento da física quântica, que nasceu em 1900,com a hipótese do físico alemão Max Planck (1858-1947) dos quanta de energia, ou seja, a de que, na natureza, a energia é gerada e absorvida em diminutos pacotes – os quanta – e não como um fluxo
contínuo, como se imaginava até então. Posteriormente, essa idéia levou ao desenvolvimento da chamada física quântica – teoria para os fenômenos do diminuto universo das entidades atômicas e moleculares – através dos trabalhos do físico alemão Albert Einstein (1879-1955), do dinamarquês
Niels Bohr (1885-1962), do alemão Werner Heisenberg (1901-1976), do britânico Paul Dirac (1902-1984), entre outros.
O século passado testemunhou um avanço impressionante no entendimento do fenômeno do magnetismo, e, conseqüentemente, suas aplicações se multiplicaram e foram substancialmente aprimoradas.
Apesar desses avanços, ainda há muitas coisas por compreender.
Três categorias
Nas aplicações tradicionais, como em motores, geradores e transformadores, os materiais magnéticos são utilizados em três categorias principais: como ímãs permanentes – que têm a propriedade de criar um campo magnético constante – e como materiais magnéticos doces (ou permeáveis), que são magnetizados e desmagnetizados com facilidade e produzem um campo magnético muito maior
ao que seria criado apenas por uma corrente enrolada na forma de espira.
Sobre a terceira grande categoria de aplicação, a chamada gravação magnética, vale a pena se estender um pouco mais, pois ela adquiriu grande importância nas últimas décadas. Essa aplicação é baseada na propriedade que o cabeçote de gravação tem de gerar um campo magnético em resposta a uma corrente elétrica. Com esse campo, é possível alterar o estado de magnetização de um meio magnético próximo, o que possibilita armazenar nele a informação contida no sinal elétrico.
A recuperação (ou a leitura) da informação gravada é realizada pelo processo inverso, denominado indução. Ou seja, a mídia magnetizada e em movimento sobre o cabeçote de leitura induz nele uma corrente elétrica. Hoje, além do fenômeno de indução, também são utilizados novos materiais estruturados artificialmente, formados por multicamadas magnéticas conhecidas como ‘válvulas de spin’.
Figura 1. O ciclo de histerese de um campo magnético e medir sua resposta (magnetização). O campo inicialmente é nulo e é aumentado gradativamente (linha tracejada), até o material não mudar mais sua magnetização com a aplicação de campo (magnetização de saturação).
Depois, ele é reduzido até atingir o valor nulo novamente. Entretanto, após a aplicação do campo, geralmente o valor da magnetização não é o mesmo da magnetização inicial, sendo chamada magnetização remanente (MR) ou simplesmente remanência. O sentido do campo é, então, invertido e vai sendo aumentado mais uma vez. O campo reverso necessário para fazer com que a magnetização retorne ao valor nulo é conhecido como campo coercivo ou coercividade (Hc).
O campo continua sendo aumentado até, novamente, o material alcançar o valor de saturação no sentido inverso.
O campo é posteriormente reduzido e invertido novamente, até fechar o ciclo.
O ciclo de histerese
No século passado, ocorreu uma verdadeira revolução na compreensão das propriedades fundamentais dos materiais magnéticos. Com isso, tornou-se possível a produção de ligas cada vez melhores do ponto de vista das aplicações.
O que determina o enquadramento nas três categorias descritas acima é o ciclo de histerese do material. Esse ciclo é representado pelo gráfico da magnetização M do material em função do campo
magnético externo aplicado H (figura 1). Em outras palavras, o ciclo de histerese mostra o quanto um material se magnetiza sob a influência de um campo magnético e o quanto de magnetização permanece nele depois que esse campo é desligado.
Por exemplo, o ferro se magnetiza com um campo externo de baixa intensidade, mantendo uma magnetização relativamente baixa depois desse processo.
Já as ligas de samário e cobalto (Sm-Co), por exemplo, precisam de campos muito intensos para ser totalmente magnetizadas, mas retêm muita magnetização quando o campo é desligado.
Um bom ímã
Os ímãs permanentes são dispositivos usados para criar um campo magnético estável em uma dada região do espaço, sendo a mais antiga aplicação dos materiais magnéticos. Eles têm um papel importante na tecnologia moderna, sendo amplamente usados em dispositivos eletromagnéticos (motores, geradores etc.), dispositivos acústicos (alto-falantes, fones, agulhas magnéticas etc.), equipamentos médicos (sistemas de ressonância magnética nuclear, marca-passos etc.), instrumentos científicos, entre outros. Como exemplo, a figura 2 mostra a quantidade de ímãs que são utilizados em um carro moderno.
Como os ímãs são usados essencialmente para armazenar energia, seu mérito é definido como a máxima energia magnética armazenada por unidade de volume. Essa grandeza – denominada produto energético máximo (BHmax) – corresponde à área do maior retângulo que pode ser inscrito no segundo quadrante (superior, à esquerda) do ciclo de histerese, mostrado na figura 1. Geralmente, um bom ímã é aquele que retém uma magnetização elevada depois que foi submetido a um campo magnético externo – preferencialmente, de baixa intensidade. Os físicos denominam coercividade o valor do campo magnético externo necessário para desmagnetizar um ímã. Assim, quanto maior a coercividade, melhor será o ímã permanente, pois isso indica que ele se desmagnetizará com mais dificuldade. Já a chamada magnetização remanente – ou, simplesmente, remanência – indica o quanto um material retém de magnetização, depois de ser submetido a um campo magnético externo.
Portanto, quanto mais largo e mais alto for o ciclo de histerese, melhor será o ímã permanente, pois ele terá coercividade e magnetização remanente elevadas. Alguns materiais, mesmo quando
o campo magnético aplicado sobre eles é praticamente nulo, permanecem com magnetização elevada, gerando um campo magnético apreciável em torno deles. Esse é o caso dos ímãs convencionais
que conhecemos – um dos exemplos são os chamados ‘ímãs de geladeira’, atualmente muito empregados no campo da publicidade.
A descoberta recente
As ligas denominadas alnico foram descobertas em 1930 e são constituídas de ferro (Fe), níquel (Ni) e cobalto (Co) e dotadas de pequenas quantidades de alumínio (Al), cobre (Cu) e titânio (Ti) – a palavra alnico vem da aglutinação das siglas dos elementos químicos alumínio, níquel e cobalto.
Essas ligas permitiram a fabricação de ímãs com produto energético de até 43 mil joules por metro cúbico de liga (BHmax = 43 kJ/m3).
Outro material muito importante dessa classe é a liga de samário e cobalto (Sm-Co), que foi descoberta no início da década de 1960 e que possibilitou o surgimento, na década seguinte, de ímãs comercialmente disponíveis com produto energético em torno de 150 kJ/m3. Como conseqüência do enorme progresso da tecnologia de materiais magnéticos, tivemos a descoberta recente, em 1983, de novos ímãs de neodímio, ferro e boro (Nd-Fe-B), cujo produto energético é de 300 kJ/m3.
Com essa crescente evolução, centenas de aplicações tecnológicas – em especial, motores e altofalantes – tiveram – e ainda têm – drástica redução de peso e tamanho, bem como grande aumento na eficiência. O mercado mundial de materiais magnéticos duros (ou permanentes) é da ordem de US$ 1 bilhão ao ano, mas o mercado dos bens que deles dependem é dezenas de vezes mais elevado.
Figura 2. Ilustração de um processo de gravação e leitura magnética, utilizando, comparativamente, um cabeçote indutivo convencional (à esquerda) e um cabeçote magnetorresistivo com tecnologia moderna. Para gravar uma informação, ambos os sistemas contêm um cabeçote indutivo, onde um pulso elétrico, contendo a informação a ser gravada, é transformado em campo magnético, que, por sua vez, altera a magnetização da mídia. No caso convencional, a leitura é feita pelo mesmo cabeçote, transformando em sinais elétricos os campos magnéticos variáveis que são detectados.
Já nos sistemas mais modernos, existe o segundo cabeçote, baseado no princípio da magnetorresistência, que é muito mais sensível para detectar uma região magnetizada – ou seja, a informação gravada –, pois esta causa nele uma alteração de sua resistência elétrica. O processo pelo qual funciona o cabeçote magnetorresistivo permite que esse dispositivo seja miniaturizado, mantendo uma ótima sensibilidade, o que leva à leitura de áreas cada vez menores da mídia e, conseqüentemente, um aumento considerável na densidade superficial debits que podem ser gravados por unidade de área.
A gravação magnética é essencial para o funcionamento de gravadores de som e de vídeo, bem como de inúmeros equipamentos acionados por cartões magnéticos, como os caixas eletrônicos de banco.
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