Ímanes: do íman de frigorífico ao comboio em levitação

O magnetismo: uma força menor capaz de levantar comboios

Uma interação fundamental

O magnetismo é uma manifestação do eletromagnetismo, uma das quatro interações fundamentais da natureza. Provém do movimento das cargas elétricas e mais precisamente do spin dos eletrões, uma propriedade quântica intrínseca, tal como a massa ou a carga.

Do pequeno íman ao comboio Maglev

À primeira vista, o magnetismo parece ser uma força menor: um pequeno íman de frigorífico mal consegue segurar algumas folhas de papel. No entanto, esta mesma força física é explorada pelos comboios Maglev para levitar e guiar-se sem contacto. Um sistema de controlo ativo mantém-nos a uma distância extremamente precisa dos carris (entre 10 e 15 mm) sem poder afastar-se nem aproximar-se. O comboio está literalmente "colado" a esta altura por um campo magnético intenso. No entanto, a ausência de fricção mecânica permite que um motor eletromagnético independente os acelere a mais de 600 km/h.

Como passar de uma força insignificante a uma potência fenomenal?

A origem microscópica do magnetismo: o spin dos eletrões

Ao nível mais fundamental, o magnetismo provém do spin e da repulsão eletrostática dos eletrões. Cada eletrão comporta-se como um microíman bipolar (com um polo Norte e um polo Sul). Na maioria dos materiais, estes microímanes (spins) estão orientados ao acaso. Os seus efeitos magnéticos neutralizam-se mutuamente, de modo que o material não apresenta qualquer campo magnético líquido à escala macroscópica.

Os materiais ferromagnéticos e os domínios de Weiss

Nos materiais ferromagnéticos (como o ferro, o cobalto ou o níquel), os movimentos eletrostáticos favorecem um alinhamento paralelo dos spins eletrónicos. Este alinhamento de milhares de milhões de "pequenas bússolas" eletrónicas forma ilhas magnéticas microscópicas (os domínios de Weiss). Cada ilha é como um grande barco com milhares de remadores que remam perfeitamente na mesma direção (os spins estão alinhados). Quando todas as ilhas se somam maioritariamente na mesma direção, o material torna-se um íman permanente muito forte.

N.B. :
Os domínios de Weiss, nomeados em homenagem ao físico francês Pierre-Ernest Weiss (1865-1940), são regiões microscópicas (tipicamente de 10 a 100 micrómetros) no interior de um material ferromagnético onde todos os spins eletrónicos estão naturalmente alinhados na mesma direção, mesmo na ausência de campo exterior.

Os ímanes permanentes mais potentes do mundo

Este fenómeno de alinhamento espontâneo é levado ao paroxismo em algumas ligas modernas. Os ímanes de terras raras, como os compostos de neodímio, ferro e boro (NdFeB), exploram uma estrutura cristalina particular. Esta estrutura reforça a interação de troca e "congela" o alinhamento dos spins, criando materiais com propriedades extremas: uma magnetização de saturação e uma resistência à desmagnetização recorde. É isto que faz do NdFeB o íman permanente mais potente.

Porquê esta diferença de escala entre um íman de frigorífico e um comboio Maglev?

A chave reside na diferença entre magnetização espontânea e campo magnético produzido. Num pequeno íman de frigorífico, a magnetização (o alinhamento dos spins eletrónicos) já é forte à escala microscópica, mas o volume de material magnético é muito pequeno e os polos estão próximos, o que limita o alcance e a intensidade do campo sentido à distância.

Num comboio Maglev, não se utiliza um simples íman permanente do mesmo tamanho: empregam-se ou eletroímanes supercondutores (no sistema eletrodinâmico), ou uma sucessão de ímanes permanentes de muito alto desempenho (neodímio) associados a bobinas ativas. O truque consiste, por um lado, em multiplicar o volume ativo (quilómetros de carris e composições inteiras de ímanes), e por outro, em canalizar e amplificar o fluxo através de circuitos magnéticos de ferro doce. Sobretudo, no caso dos eletroímanes supercondutores, atingem-se densidades de corrente fenomenais (mais de 100 A/mm²) sem perdas por efeito Joule, o que produz campos magnéticos de vários teslas, milhares de vezes mais intensos do que o de um pequeno íman de frigorífico.

Assim, a força "menor" à escala do grama torna-se colossal à escala da tonelada, por acumulação de magnetização, corrente e superfície de interação.

N.B. :
As primeiras observações do magnetismo remontam à China antiga, onde a magnetite era utilizada desde o século IV a.C. para a orientação. No século XIX, os trabalhos de Hans Christian Ørsted (1777-1851) revelaram a ligação entre corrente elétrica e campo magnético. Esta descoberta foi formalizada por James Clerk Maxwell (1831-1879), cujas equações unificam eletricidade e magnetismo.

O magnetismo no coração das inovações do século XXI

A tabela seguinte apresenta algumas das aplicações mais espetaculares do magnetismo moderno, ilustrando como esta força fundamental é aproveitada em campos tão variados como os transportes, a medicina, a energia ou a exploração espacial.

As referências históricas do magnetismo

As primeiras observações

As primeiras observações do magnetismo remontam à China antiga, onde a magnetite era utilizada desde o século IV a.C. para a orientação. Os antigos gregos também conheciam as propriedades da pedra-íman (magnetite) e o seu poder de atrair o ferro.

As descobertas fundadoras

No século XIX, os trabalhos de Hans Christian Ørsted (1777-1851) revelaram a ligação entre corrente elétrica e campo magnético. Esta descoberta foi formalizada por James Clerk Maxwell (1831-1879), cujas equações unificam eletricidade e magnetismo numa única teoria: o eletromagnetismo.

O magnetismo moderno

Os avanços do século XX permitiram compreender a origem microscópica do magnetismo com a mecânica quântica, e desenvolver materiais com propriedades magnéticas extremas, abrindo caminho às aplicações espetaculares que conhecemos hoje.