miniatura|upright=1.5|Uma rocha de magnetita é atraída por um ímã de neodímio colocado acima dela.
Um ímã, também chamado de íman no português europeu ou de magneto, é um material ou objeto que produz um campo magnético. Esse campo é invisível, mas é responsável pela propriedade mais notável de um ímã: uma força que atrai outros materiais ferromagnéticos, como ferro, aço, níquel e cobalto, e atrai ou repele outros ímãs.
Um ímã permanente é um objeto feito de um material magnetizado que produz seu próprio campo magnético persistente. Um exemplo cotidiano é o ímã de geladeira, usado para prender recados à porta de uma geladeira. Os materiais usados em ímãs permanentes convencionais são ferromagnéticos ou ferrimagnéticos e são fortemente atraídos por outros ímãs. Entre eles estão os elementos ferro, níquel e cobalto e certas ligas desses metais, algumas ligas de metais de terras-raras e certos minerais de ocorrência natural, como a pedra-ímã. Outras substâncias também respondem a campos magnéticos, embora a resposta de muitos materiais comuns seja fraca e só possa ser percebida com instrumentos sensíveis.
Os materiais ferromagnéticos podem ser divididos em materiais magneticamente "macios", como o ferro recozido, cuja magnetização pode ser alterada por campos relativamente fracos, e materiais magneticamente "duros", que resistem a essa alteração. Os ímãs permanentes são feitos de materiais magneticamente "duros", como alnico e ferrita. A composição e a estrutura microcristalina obtidas na fabricação dificultam a inversão da magnetização. Em alguns processos, um campo alinha as partículas antes da compactação. A magnetização final da peça é uma etapa distinta, na qual se aplica um campo intenso. A resistência à inversão da magnetização é caracterizada pela coercividade, elevada nos materiais "duros" e baixa nos "macios". O momento magnético caracteriza o comportamento global do ímã na aproximação dipolar. O fluxo magnético deve ser especificado através de uma superfície, e não como uma quantidade total emitida pelo ímã. A magnetização é o momento magnético por unidade de volume.
Um eletroímã é formado por uma bobina de fio que produz um campo magnético quando uma corrente elétrica a percorre. Muitas vezes, a bobina é enrolada em torno de um núcleo de material ferromagnético "macio", como o aço de baixo teor de carbono, o que intensifica o campo. Quando a corrente é interrompida, desaparece a parcela do campo produzida por ela, mas o núcleo pode conservar magnetização residual.
Descoberta e desenvolvimento
Os povos antigos conheceram o magnetismo por meio de pedras-ímã, constituídas de magnetita, que são fragmentos naturalmente magnetizados de minério de ferro. A palavra inglesa magnet foi incorporada ao inglês médio a partir do latim magnetum, "pedra-ímã", e remonta ao grego (magnētis [lithos]), que significa "[pedra] de Magnésia", um topônimo associado a locais onde eram encontradas pedras-ímã, cuja identificação exata é discutida.A identificação de Magnésia é discutida; pode tratar-se da região da Grécia continental, de Magnésia do Meandro ou de Magnésia do Sípilo, atual Manissa, na Turquia. Ver, por exemplo, . Pedras-ímã suspensas de maneira que pudessem girar foram as primeiras bússolas. As mais antigas descrições conhecidas e preservadas de ímãs e de suas propriedades provêm da Anatólia, da Índia e da China, de cerca de 2.500 anos atrás. As propriedades das pedras-ímã e sua afinidade pelo ferro foram descritas por Plínio, o Velho, em sua enciclopédia Naturalis Historia, no século I d.C.
Na China do século XI, descobriu-se que o resfriamento brusco de ferro incandescente alinhado com o campo magnético terrestre o deixava permanentemente magnetizado. Isso levou ao desenvolvimento da bússola de navegação, conforme descrito nos Ensaios do Estanque dos Sonhos, de 1088. Entre os séculos XII e XIII, bússolas magnéticas eram usadas na navegação na China, na Europa, na Península Arábica e em outros lugares.
Em 1269, Pedro de Maricourt escreveu a Epistola de magnete, com experimentos sobre os polos dos ímãs, sua atração e repulsão e a formação de novos polos quando um ímã é partido. Em 1600, William Gilbert publicou De Magnete. Gilbert usou uma esfera de magnetita, chamada de terrella, para estudar a orientação de agulhas magnéticas e propôs que a própria Terra se comportava como um grande ímã.
Um ímã retilíneo de ferro tende a se desmagnetizar pela ação de seu próprio campo magnético. Para contornar esse problema, Daniel Bernoulli inventou o ímã de ferradura em 1743. O formato de ferradura reduz a desmagnetização ao conduzir as linhas do campo magnético de volta ao polo oposto.
Em 1820, Hans Christian Ørsted descobriu que uma corrente elétrica próxima desvia a agulha de uma bússola. No mesmo ano, André-Marie Ampère estudou a atração e a repulsão entre fios percorridos por corrente e mostrou que enrolamentos helicoidais se comportam como ímãs. Isso levou William Sturgeon a desenvolver um eletroímã com núcleo de ferro em 1824. Joseph Henry aperfeiçoou o eletroímã e o transformou em um produto comercial em 1830–1831, tornando campos magnéticos intensos acessíveis pela primeira vez. Em 1831, construiu um separador de minérios com um eletroímã capaz de levantar aproximadamente 340 kg.
Física
Campo magnético miniatura|Limalha de ferro orientada pelo campo magnético produzido por um ímã em barra. miniatura|thumbtime=35|Detecção do campo magnético com uma bússola e com limalha de ferro.
A densidade de fluxo magnético, também chamada de campo magnético B ou simplesmente campo magnético e geralmente representada por B, é um campo vetorial. O vetor campo magnético B em determinado ponto do espaço é especificado por duas propriedades:
Sua direção e sentido, dados pela orientação de uma pequena agulha magnética livre para se alinhar ao campo. Uma bússola horizontal acompanha apenas a componente horizontal do campo. Seu módulo, também chamado de intensidade, que determina o torque exercido sobre um dipolo magnético de momento e orientação fixos.
No Sistema Internacional de Unidades (SI), a intensidade do campo magnético B é expressa em teslas.
As linhas de campo permitem visualizar a direção e a intensidade relativa do campo magnético. Em cada ponto, a direção do campo é tangente à linha que passa por ele, e uma maior concentração de linhas corresponde a um campo mais intenso. Essas linhas não terminam na superfície do ímã. Em um ímã em barra, seguem do norte para o sul pelo exterior e retornam do sul para o norte pelo interior, formando linhas fechadas.
Fluxo magnético
O fluxo magnético através de uma superfície depende do campo que a atravessa, da área da superfície e de sua orientação. Para uma superfície , ele é definido por:
Um campo é uniforme em uma região quando seu módulo, sua direção e seu sentido são iguais em todos os pontos dessa região. Se a superfície for plana e o campo for uniforme, a expressão se reduz a:
em que é a área da superfície e é o ângulo entre o campo e a direção perpendicular à superfície. No SI, a unidade de fluxo magnético é o weber, equivalente a um tesla-metro quadrado, Wb = T·m2.
O fluxo de B através de qualquer superfície fechada é nulo, como estabelece a lei de Gauss para o magnetismo:
O fluxo que entra na superfície é igual ao que sai dela.
Momento magnético
O momento magnético de um ímã, também chamado de momento de dipolo magnético e geralmente representado por μ, é um vetor que caracteriza suas propriedades magnéticas globais. Em um ímã em barra, o momento magnético aponta do polo sul para o polo norte, e seu módulo está relacionado à intensidade desses polos e à distância entre eles. No SI, o momento magnético é expresso em A·m2, isto é, amperes vezes metros quadrados.
Um ímã tanto produz seu próprio campo magnético quanto responde a campos magnéticos. A distâncias grandes em comparação com as dimensões do ímã, o campo é aproximadamente dipolar e sua intensidade é proporcional ao módulo do momento magnético, mantidas a posição e a orientação. Além disso, quando o ímã é colocado em um campo magnético externo, produzido por outra fonte, fica sujeito a um torque que tende a orientar seu momento magnético paralelamente ao campo. A expressão do torque na aproximação dipolar é . Seu módulo é , em que é o ângulo entre o momento e o campo. Um ímã também pode ficar sujeito a uma força que o desloca em uma ou outra direção, dependendo das posições e orientações do ímã e da fonte. Se o campo for espacialmente uniforme, não haverá força resultante sobre o ímã, embora possa haver torque.
Um fio em forma de circunferência que delimita uma área A e é percorrido por uma corrente I tem um momento magnético de módulo igual a IA.
Magnetização
A magnetização de um material magnetizado é o valor local de seu momento magnético por unidade de volume. Ela costuma ser representada por M e tem como unidade A/m. Trata-se de um campo vetorial, e não apenas de um vetor, como o momento magnético, porque diferentes regiões de um ímã podem ser magnetizadas em direções distintas e com intensidades diferentes, por exemplo, devido aos domínios magnéticos. Um bom ímã em barra pode ter um momento magnético de módulo 0,1 A·m2 e um volume de 1 cm3, ou 1 × 10−6 m3, de modo que o módulo de sua magnetização média seja de 100.000 A/m. O ferro pode apresentar uma magnetização de cerca de um milhão de amperes por metro. Um valor tão elevado explica por que ímãs de ferro são tão eficazes na produção de campos magnéticos.
Domínios magnéticos e histerese
miniatura|Domínios magnéticos nos grãos de uma liga de neodímio–ferro–boro, observados por microscopia de efeito Kerr magneto-óptico. Em muitos materiais ferromagnéticos, os momentos magnéticos dos átomos se alinham em pequenas regiões chamadas de domínios magnéticos. Cada domínio tem magnetização própria, mas as orientações de domínios diferentes podem se compensar, deixando o objeto sem magnetização macroscópica. As regiões de transição entre domínios são chamadas de paredes de domínio. Impurezas e defeitos cristalinos podem dificultar o deslocamento dessas paredes até que o campo aplicado seja suficientemente intenso. Sob a ação de um campo externo, domínios orientados favoravelmente ao campo podem crescer, e os momentos magnéticos também podem mudar de direção.
Quando o campo é retirado, o material pode conservar parte da magnetização, chamada de remanência. A magnetização não depende apenas do campo aplicado naquele instante, mas também dos campos aos quais o material foi submetido. Essa dependência do histórico magnético produz a histerese, que pode ser apresentada em uma curva fechada de magnetização em função do campo.
Uma peça de ferro inicialmente não magnetizada também pode ser atraída por um ímã. O campo do ímã magnetiza a peça por indução, de modo que a região mais próxima adquire polaridade oposta à do polo que a atrai. Essa magnetização pode diminuir muito quando o ímã é afastado.
Modelagem de ímãs miniatura|Campo de um ímã cilíndrico em barra calculado com precisão.
Há dois modelos distintos para os ímãs: o dos polos magnéticos e o das correntes atômicas.
Embora, para muitas finalidades, seja conveniente pensar em um ímã como um objeto com polos magnéticos norte e sul distintos, o conceito de polos não deve ser tomado literalmente: trata-se apenas de uma forma de se referir às duas extremidades do ímã. Não existem partículas norte e sul distintas em lados opostos do objeto. Se um ímã em barra for quebrado em duas partes na tentativa de separar os polos norte e sul, o resultado será a formação de dois ímãs em barra, cada um com um polo norte e um polo sul. Ainda assim, uma versão da abordagem dos polos magnéticos é utilizada por especialistas no projeto de ímãs permanentes.