Um ímã permanente , ou simplesmente ímã na linguagem comum, é um objeto feito de um material magnético rígido, ou seja, um com grande magnetização remanente e campo coercivo (veja abaixo). Isso lhe confere propriedades particulares ligadas à existência do campo magnético, como a de exercer uma força de atração sobre qualquer material ferromagnético .
A palavra ímã é, como a palavra diamante , derivada do grego antigo ἀδάμας, adámas ("particularmente ferro duro ou diamante"), relacionada ao adjetivo ἀδάμαστος, adámastos, ("indomável"), devido à dureza do ímã de pedra .
A história dos ímãs começa na Antiguidade.
Na China , e um pouco mais tarde na Grécia , os homens descobrem uma pedra negra, a pedra magnética , que tem o poder de atrair o ferro . Além disso, esta pedra tem a capacidade de transmitir o seu poder ao ferro. Nos tempos antigos, de acordo com Plutarco , a pedra do ímã era chamada de osso de Hórus e osso de ferro de Tífon .
Plínio, o Velho, escreveu: “Há duas montanhas perto do rio Indo , uma das quais retém e a outra empurra todos os tipos de ferro (XXXVI, 25); assim, se você calça os sapatos com pregos, num deles não consegue tirar o pé, no outro não consegue calçar. "
Onde quer que essas propriedades surpreendentes da magnetita sejam notadas, surgia a tentação de associá-la à magia : "Uma pedra de ímã colocada sob o travesseiro de uma esposa infiel tinha o poder, dizia-se, de fazê-la confessar. Sua culpa. A crença popular atribuía ao ímã tal força que um único fragmento era suficiente para curar todos os tipos de enfermidades e até servir como anticoncepcional ” .
Por volta do ano 1000, na China, a bússola (chamada de “agulha do sul”), a primeira aplicação da propriedade de magnetização, surgiu na navegação marítima. Esta bússola ou marinete, que consiste em uma agulha de ferro magnetizada pelo contato com a pedra magnética, será introduzida na Europa cerca de dois séculos depois em contato com os árabes. O campo magnético terrestre na origem da magnetização da magnetite permitiu ao homem equipado com uma marineta situar-se melhor no espaço e, portanto, explorá-lo. A palavra magnetismo vem da cidade de Magnésia, na Ásia Menor. No XIII th engenheiro militar do século Pierre de Maricourt , Picard vivendo em Paris e falado físico admiração franciscano Roger Bacon , composto um tratado De Magnete , no qual ele descreve as propriedades do ímã. Cristóvão Colombo , usando sua bússola , pode ir direto para “Cipangu”.
Samuel Purchas comenta, apenas um século após a morte de Colombo, que "a pedra do magnetismo é a pedra angular, a própria semente da qual nasce a descoberta" .
William Gilbert , em seu De Magnete (1600), faz pela primeira vez a distinção entre corpos elétricos (ele introduz esse termo) e corpos magnéticos. Ele assimila a Terra a um ímã, observa as leis de repulsão e atração dos ímãs por seu pólo e a influência do calor no magnetismo do ferro. Também dá as primeiras noções sobre eletricidade, incluindo uma lista de corpos eletrificados por fricção. As propriedades de magnetização são então inextricavelmente ligadas à magnetita.
Até muito recentemente, um ímã era definido como "um óxido de ferro natural que atrai o ferro e alguns metais" .
A magnetita (Fe 3 O 4 ) não é o único material a fazer ímãs. As mesmas propriedades foram encontradas em muitos outros compostos minerais. Os aplicativos se multiplicaram. Hoje, encontramos ímãs em campos tão diversos como saúde , motores elétricos que são, na verdade, motores magnéticos, telecomunicações , etc.
O volume de vendas de ímãs no mundo ocidental, que ultrapassou dez bilhões de francos (1,5 bilhão de euros) por ano em 1994, reflete sua importância no mundo de hoje.
A magnetização de um material ou meio é a densidade de seu volume de momento magnético (induzido ou permanente):
onde denota o momento magnético e o volume.
A unidade SI de magnetização é ampere por metro (A / m).
Os pólos magnéticos são chamados de "norte" e "sul" de acordo com os pólos geográficos da Terra para os quais são atraídos. Como os pólos magnéticos de polaridade oposta se atraem, deduzimos que os pólos geográficos da Terra têm uma polaridade magnética na verdade oposta à polaridade geográfica: o pólo norte geográfico da Terra é um pólo sul magnético e vice-versa.
Os dois pólos são inseparáveis, um não existe sem o outro (em virtude de uma equação de Maxwell que mostra a continuidade do campo magnético produzido). Os pólos indicam a direção de um único eixo que passa por um ponto central, e ao longo do qual as linhas de campo passam a se alinhar (com uma inversão repentina da direção do campo nas proximidades desse centro): em torno desses dois pólos, o magnético o campo é máximo e orientado paralelamente ao eixo, enquanto diminui com a distância do ímã; o efeito combinado dos dois pólos forma fora deste eixo linhas de direção do campo magnético orientadas ao longo de círculos que passam pelo centro magnético entre os dois pólos, esses círculos de mesma intensidade de campo sendo dispostos em um toro que passa pelo centro magnético.
Qualquer barra magnética é naturalmente orientada na direção norte - sul seguindo as linhas do campo magnético terrestre , desde que seja deixado um eixo de rotação livre de quaisquer restrições. Esta propriedade é usada na fabricação de bússolas . Eles estão, por exemplo, presentes em alto-falantes, certas fechaduras de portas em um grande número de formas e tamanhos (desde pequenos ímãs de 4 mg (cobalto-terras raras), por exemplo, em relógios elétricos, até ímãs de 40 kg fundidos Ticonal 600 (por exemplo (estator do gerador elétrico ).
no início dos anos 1970, grandes fábricas podiam produzir até várias centenas de milhões por ano.
Os ímãs são amplamente usados para fazer máquinas de corrente contínua ou máquinas síncronas (por exemplo, motores de baixa potência) e vários dispositivos eletrônicos e eletrotécnicos.
A existência de um campo magnético na ausência de corrente é aproveitada para a produção de separadores e sensores , por exemplo, sensores de proximidade, NMR e, portanto, MRI .
Os ímãs também são usados no projeto de fontes de dipolo para produzir plasmas de micro-ondas. No entanto, isso deve verificar as condições de acoplamento RCE (ressonância do ciclotron eletrônico), ou seja, 0,0875 tesla para um campo elétrico giratório de 2,45 GHz . Geralmente, os ímãs usados são cobalto samário ou neodímio ferro boro .
Os ímãs são usados em vários objetos. Os clipes de ímã são suprimentos de escritório que permitem prender folhas de papel a um quadro negro, como um clipe ou um alfinete; esses mesmos fechos são usados para porta-fotos, substituindo cola ou fita adesiva. objetos decorativos e utilitários chamados " ímãs " são fixados em certos suportes (por exemplo, geladeira). Algumas peças funcionam com ímãs, incluindo jogos de construção.
Os ímãs permanentes quase sempre contêm átomos de pelo menos um dos seguintes elementos químicos: ferro , cobalto ou níquel , ou da família dos lantanídeos ( terras raras ). Esses elementos têm propriedades magnéticas, mas não podem ser necessariamente usados sozinhos como ímãs permanentes. Ligas com propriedades ferromagnéticas duras (um amplo ciclo de histerese) são, portanto, utilizadas. Os ímãs sintéticos são produzidos pela sinterização de uma liga de pó de terras raras que, então, forma uma cerâmica polarizada sob o campo intenso de um eletroímã . Os ímãs naturais são óxidos mistos de ferro II e ferro III da família da ferrita (óxidos mistos de um metal bivalente e ferro III). Existem também ímãs moleculares, como ímãs de química de coordenação, ímãs organo-metálicos e ímãs puramente orgânicos ( C H N O ). Todos eles têm temperaturas Curie muito baixas, exceto V ( TCNE ) 2 (vanádio di-tetracianoetileneto).
Os materiais duros são interessantes para fazer ímãs permanentes porque têm grandes ciclos de histerese. As principais grandezas a serem levadas em consideração são B r : indução remanescente, proporcional à magnetização do material, e H cM , que é uma medida da capacidade do material em manter essa magnetização.
Materiais | Br em Tesla | Hc em kA / m | Curie T ° em ° C | Observações diversas |
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Aços | 0,001 a 0,02 | 6 a 19 | 750 | Ímãs antigos |
Ferrites | 0,2 a 0,4 | 200 | 300 | O mais barato |
Alnico | 1,2 | 50 | 750 a 850 | Desmagnetize facilmente |
Samário-cobalto | 1,1 | 800 | 700 a 800 | Preço alto por causa do cobalto |
Neodímio-ferro-boro | 1,3 | 1500 | 310 | Preço crescente (terras raras), sujeito a oxidação |
Se conhecermos a intensidade da indução magnética B (em Tesla) produzida pelo ímã em sua superfície, podemos calcular uma boa aproximação da força necessária para retirá-lo de uma superfície de ferro. Consideramos a força F necessária para separar o ímã por uma distância ε da superfície do ferro. A distância ε é muito pequeno para que possamos aceitar que, em todo o volume entre o ímã e ferro, a indução magnética é igual a B . O trabalho realizado pela força F é
Esse trabalho se transformou em energia de campo magnético no volume criado entre o ímã e o ferro. A densidade de energia por unidade de volume devido ao campo magnético é:
J . m -3Aqui µ é a permeabilidade do ar, quase igual à do vácuo: µ 0 = 4π 10 −7 H ⋅ m −1 .
O volume do espaço criado entre o ímã e o ferro é igual a S ε, onde S é a área do ímã que ficou presa ao ferro. O trabalho realizado se transformou em energia:
Deduz-se o valor da força de contato:
Para um ímã de 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro e produzindo uma indução magnética igual a 1 tesla no circuito magnético formado com a parte de metal em contato com a qual está em contato, a força obtida é de 205 newtons , ou seja , l 'equivalente a a força (peso) exercida por uma massa de cerca de 21 kg no campo de gravidade médio da Terra .
Por outro lado, e se conhecermos a força de contato de um ímã, por esta fórmula podemos ter uma aproximação do valor da indução magnética criada perto do ímã.
Assim, um ímã permanente baseado em neodímio-ferro-boro com um raio de 2 cm e uma força de adesão de 2 kg (ou cerca de 20 newtons ) gera uma indução magnética perto de sua superfície de cerca de 0,2 tesla , ou 2.000 gauss .