Íman
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.
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 μαγνῆτις [λίθος] (magnētis [lithos]), que significa "[pedra] de Magnésia", um topônimo associado a locais onde eram encontradas pedras-ímã, cuja identificação exata é discutida.[nota 1] 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.
O polo norte de um ímã é a extremidade que, quando o ímã pode girar livremente, tende a se orientar para o norte geográfico. Uma bússola horizontal se alinha à componente horizontal do campo magnético no local, não a uma linha que aponta diretamente para o polo norte magnético. A declinação magnética é o ângulo entre essa direção e o norte geográfico. No polo norte magnético terrestre, o campo entra na Terra, correspondendo à polaridade sul de um ímã. Na prática, não é necessário recorrer ao campo magnético da Terra para identificar qual polo de um ímã é o norte e qual é o sul. Um dos métodos consiste em compará-lo a um eletroímã, cujos polos podem ser identificados pela regra da mão direita. Por convenção, considera-se que as linhas do campo magnético saem do polo norte do ímã e retornam a ele pelo polo sul. O termo ímã permanente designa objetos que mantêm magnetização mesmo na ausência de um campo magnético aplicado. Apenas determinadas classes de materiais podem fazê-lo. Entretanto, a maioria dos materiais produz um campo magnético em resposta a um campo aplicado, fenômeno conhecido como magnetismo. Existem vários tipos de magnetismo, e todos os materiais apresentam pelo menos um deles.
Campo magnético
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: 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 S {\displaystyle S} , 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 A {\displaystyle A} é a área da superfície e θ {\displaystyle \theta } 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:
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 τ = μ × B {\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}={\boldsymbol {\mu }}\times \mathbf {B} } . Seu módulo é τ = μ B sin θ {\displaystyle \tau =\mu B\sin \theta } , em que θ {\displaystyle \theta } 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.
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
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.
Modelagem de ímãs
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.
Os efeitos da exposição dependem da intensidade do campo e de sua variação no tempo. Campos estáticos intensos, como os de alguns equipamentos de ressonância magnética, podem causar sensações transitórias de vertigem e náusea. Esses efeitos podem ocorrer em campos da ordem de 2 a 3 T ou mais. Nos exames de ressonância, os gradientes variáveis podem estimular nervos periféricos, enquanto a energia de radiofrequência pode aquecer tecidos. A avaliação de risco de câncer exige distinguir campos estáticos de campos variáveis. Em 2002, a Agência Internacional de Pesquisa em Câncer classificou os campos magnéticos de frequência extremamente baixa como possivelmente cancerígenos, no grupo 2B. Os campos magnéticos estáticos ficaram no grupo 3, por não haver base suficiente para classificá-los quanto à carcinogenicidade. Essa avaliação não estabelece que campos magnéticos estáticos causem câncer. Se houver um corpo estranho ferromagnético em um tecido humano, sua interação com um campo magnético externo poderá representar um sério risco à segurança.
Os materiais ferromagnéticos podem ser magnetizados das seguintes maneiras:
Os materiais ferromagnéticos magnetizados podem ser desmagnetizados das seguintes maneiras:
Conservação
Uma armadura magnética é uma peça de ferro magneticamente macio colocada entre os polos de um ímã para fechar o circuito magnético e reduzir a desmagnetização durante o armazenamento. Esse recurso é usado com ímãs de alnico. Ímãs de neodímio não precisam de uma armadura para conservar a magnetização durante o armazenamento.
Em 2019, foram produzidas gotículas líquidas que conservavam magnetização depois da retirada do campo externo. As gotículas tinham uma camada compacta de nanopartículas magnéticas na interface entre água e óleo. O bloqueio das partículas nessa camada permitiu obter remanência e coercividade, mesmo com a deformação das gotículas. Esse comportamento difere do de ferrofluidos convencionais, cuja magnetização desaparece quando o campo aplicado é retirado. A ARPA-E, agência estadunidense de projetos de pesquisa avançada em energia, financiou o programa Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) para desenvolver materiais alternativos. Em 2011, a agência destinou 31,6 milhões de dólares ao financiamento de projetos de substitutos das terras-raras. Os nitretos de ferro são materiais promissores para ímãs sem terras-raras. Em 23 de dezembro de 2025, foram apresentados filmes finos de boretos de alta entropia com metais de transição 3d e boro, sem terras-raras. Os filmes foram produzidos por deposição combinatória por pulverização catódica e tratamento térmico. A fase C16, de simetria tetragonal, apresentou alta anisotropia magnética. Esses filmes foram estudados como candidatos ao desenvolvimento de materiais para ímãs permanentes.
Elementos metálicos magnéticos
Muitos materiais têm elétrons com spins desemparelhados, e a maioria desses materiais é paramagnética. Quando a interação entre os spins faz com que eles se alinhem espontaneamente, os materiais são chamados de ferromagnéticos, termo frequentemente reduzido, de maneira imprecisa, a "magnéticos". A composição e a estrutura cristalina dos átomos determinam como seus momentos magnéticos interagem. Ferro, cobalto e níquel são metais ferromagnéticos à temperatura ambiente. Os metais de terras-raras gadolínio e disprósio também apresentam ferromagnetismo abaixo de suas respectivas temperaturas de transição. Isso não torna seus minérios automaticamente ferromagnéticos. A magnetita, um minério de ferro presente nas pedras-ímã, é ferrimagnética. As propriedades de uma liga ou composto dependem de sua própria estrutura, não apenas das propriedades dos elementos isolados.
Compósitos
Os ímãs cerâmicos de ferrita são feitos de materiais ferrimagnéticos duros, geralmente ferritas de bário ou de estrôncio. Óxido de ferro e carbonato de bário ou carbonato de estrôncio podem ser usados como matérias-primas. O tratamento térmico forma a ferrita, que é moldada e sinterizada. Os reagentes se combinam quimicamente durante o aquecimento. Ferritas magneticamente macias, de outras composições, são usadas em núcleos de componentes eletrônicos, como os das antenas de rádios AM portáteis. Os ímãs de ferrita têm baixo custo, resistem à corrosão e são frágeis. A ferrita de bário, BaFe12O19, é usada em ímãs de geladeira. Os ímãs de alnico são fabricados por fundição ou sinterização de uma combinação de alumínio, níquel e cobalto com ferro e pequenas quantidades de outros elementos, adicionadas para melhorar suas propriedades. A sinterização proporciona características mecânicas superiores, enquanto a fundição permite campos magnéticos mais intensos e a produção de formas complexas. Os ímãs de alnico resistem à corrosão e são mecanicamente menos frágeis que os de ferrita, embora não apresentem a mesma resistência de metais mais dúcteis. Entre os nomes comerciais de ligas dessa família estão Alni, Alcomax, Hycomax, Columax e Ticonal.
Ímãs flexíveis
Os ímãs flexíveis são compostos por pó magnético, geralmente de ferrita, misturado a um aglutinante polimérico, como borracha sintética. Também existem compósitos flexíveis com pó de ímãs de neodímio. A mistura pode ser moldada por extrusão ou por rolos. Uma forma de magnetizar a manta é fazê-la passar junto a um cilindro montado com ímãs permanentes anulares e discos ferromagnéticos. A disposição dos ímãs produz faixas de polaridade alternada na manta, sem precisar de uma bobina magnetizadora nesse processo. A flexibilidade e as propriedades magnéticas dependem do pó magnético e do aglutinante empregados. No caso de compostos magnéticos vulneráveis à corrosão nos contornos de grão, como Nd2Fe14B, o aglutinante proporciona proteção adicional.
Ímãs de terras-raras
Os elementos de terras-raras, ou lantânidos, utilizados nesses ímãs têm um subnível eletrônico 4f parcialmente ocupado, capaz de acomodar até 14 elétrons. Nas ligas magnéticas, os momentos dos elétrons 4f das terras-raras interagem com os dos elétrons 3d do ferro ou do cobalto. Essa combinação permite fabricar ímãs compactos de alta intensidade. Os tipos mais comuns de ímãs de terras-raras são os de samário–cobalto e os de neodímio–ferro–boro, também conhecidos pela sigla inglesa NIB.
Ímãs monomoleculares e de cadeia única
Esses sistemas são estudados na pesquisa sobre materiais magnéticos de base molecular. Na década de 1990, verificou-se que certas moléculas com íons metálicos paramagnéticos apresentam relaxação muito lenta da magnetização em temperaturas baixas. Esses ímãs monomoleculares, conhecidos pela sigla inglesa SMM, podem manter a orientação do momento magnético por um intervalo mensurável, sem depender de domínios magnéticos de um sólido convencional. O aglomerado de manganês Mn12 foi um dos primeiros exemplos. A possibilidade de armazenar informação em moléculas individuais motivou pesquisas sobre esses materiais. Na descrição de muitos dos primeiros SMMs formados por aglomerados de metais de transição, duas propriedades favorecem uma barreira à inversão do momento:
Ímãs nanoestruturados
Os magnons são excitações quantizadas de ondas de spin. Em 2005, Edward Della Torre, Lawrence H. Bennett e R. E. Watson propuseram um modelo com condensação de Bose–Einstein de magnons para explicar desvios da lei de Bloch na dependência da magnetização com a temperatura em materiais nanoestruturados. A condensação é uma hipótese desse modelo, não uma propriedade geral de todo ímã nanoestruturado.
Em sua forma mais simples, um eletroímã consiste em um fio enrolado em uma ou mais espiras; uma bobina de formato alongado é chamada de solenoide. Quando uma corrente elétrica percorre o fio, produz-se um campo magnético, concentrado nas proximidades da bobina e especialmente em seu interior. Suas linhas de campo são muito semelhantes às de um ímã. A orientação desse ímã efetivo é determinada pela regra da mão direita. Para uma bobina sem núcleo magnético, com N espiras planas de mesma área A e eixos alinhados, o momento magnético tem módulo NIA, em que I é a corrente. Um núcleo magnetizado acrescenta seu próprio momento. O campo produzido depende também da geometria da bobina. Se a bobina for enrolada em um material sem propriedades magnéticas especiais, como papelão, seu campo não recebe o reforço proporcionado por um núcleo ferromagnético. Se, porém, for enrolada em torno de um material ferromagnético macio, como um prego de ferro, o campo pode aumentar muito, dependendo da geometria do circuito e das propriedades do material. Esse aumento é limitado pela saturação magnética do núcleo.
Eletroímãs supercondutores
Nos eletroímãs supercondutores, as bobinas são feitas de materiais que perdem a resistência elétrica abaixo de uma temperatura crítica, desde que o campo e a corrente também permaneçam dentro dos limites de funcionamento supercondutor. Isso permite conduzir correntes elevadas sem a dissipação resistiva de calor que ocorre em bobinas comuns. Esses ímãs são usados em aceleradores de partículas, nos quais campos dipolares desviam os feixes e campos quadrupolares os focalizam. A ausência de perdas resistivas nas bobinas não dispensa o sistema de refrigeração, que precisa manter o material nas condições necessárias à supercondutividade.
Um ímã eletropermanente combina ímãs permanentes com uma bobina usada para alterar seu estado por meio de pulsos de corrente. Depois do pulso, o dispositivo mantém o estado magnético sem alimentação elétrica contínua. Esse princípio é empregado em conectores e atuadores para sistemas robóticos. Uma configuração utiliza dois materiais permanentes de coercividades diferentes. O pulso inverte a magnetização do material de menor coercividade sem inverter a do outro. Dependendo da orientação relativa dos dois, o fluxo se concentra no interior do circuito magnético ou se estende para a região externa de trabalho. O mesmo princípio foi empregado no controle de gotículas de ferrofluido em dispositivos microfluídicos.
Unidades
Em muitas áreas, utilizam-se habitualmente as unidades do sistema MKS racionalizado ou do SI. Outros dois sistemas de unidades, o gaussiano e o CGS eletromagnético, ou CGS-EMU, também são empregados em alguns contextos. Em qualquer sistema, é conveniente distinguir dois campos magnéticos, B e H, além da magnetização M, definida como o momento magnético por unidade de volume. Para um material linear e isotrópico, a magnetização pode ser expressa pela relação M = χH no SI, em que χ é a suscetibilidade magnética adimensional. A maioria dos materiais considerados não magnéticos tem valores relativamente pequenos de χ, da ordem de um milionésimo, enquanto materiais magneticamente macios podem apresentar valores da ordem de centenas ou milhares. Para os materiais que obedecem à relação M = χH, também se pode escrever B = μ0(1 + χ)H = μ0μrH = μH, em que μr = 1 + χ é a permeabilidade relativa adimensional e μ = μ0μr é a permeabilidade magnética. Tanto materiais magneticamente duros quanto macios apresentam um comportamento mais complexo, dependente de seu histórico, descrito pelas chamadas curvas de histerese, que representam B em função de H ou M em função de H. No sistema CGS, M = χH, mas χSI = 4πχCGS e μ = μr.
Campos de um ímã
A grandes distâncias de um ímã, seu campo magnético é quase sempre descrito, com boa aproximação, por um campo dipolar caracterizado pelo momento magnético total. Isso vale independentemente da forma do ímã, desde que seu momento magnético seja diferente de zero. Uma característica do campo dipolar é que sua intensidade diminui na razão inversa do cubo da distância ao centro do ímã. Mais perto do ímã, o campo magnético se torna mais complexo e depende mais dos detalhes de sua forma e magnetização. Formalmente, ele pode ser expresso como uma expansão multipolar: um campo dipolar somado a um campo quadrupolar, a um campo octupolar e assim por diante.
Cálculo da força magnética
A intensidade de um ímã às vezes é especificada por sua força de atração, isto é, pela capacidade de atrair objetos ferromagnéticos. A força exercida por um eletroímã ou por um ímã permanente sem entreferro, ou seja, com o objeto ferromagnético em contato direto com o polo do ímã, pode ser estimada, quando o campo na região de contato é aproximadamente uniforme e perpendicular à superfície e o fluxo disperso é desprezível, pela expressão derivada das equações de Maxwell: Esse resultado expressa a tensão magnética de módulo B 2 / ( 2 μ 0 ) {\displaystyle B^{2}/(2\mu _{0})} sobre a área efetiva. O modelo de Gilbert usa cargas magnéticas equivalentes para representar a magnetização, sem pressupor monopolos físicos. A força real depende também da forma e da saturação do objeto atraído.
