O que é um Ímã Permanente

O que é um Ímã Permanente

Nas postagens anteriores apresentamos o fenômeno do magnetismo, sua história resumida, conceitos básicos como campo magnético, coercividade, permeabilidade e outros, além de apresentar os diversos tipos de comportamento magnético dos materiais. Agora vamos iniciar um estudo sobre as fontes de magnetismo, falando especialmente sobre os ímãs.

Os ímãs podem ser classificados em três tipos principais:

  • Ímãs Naturais – São os derivados da magnetita, óxido de ferro mineral com propriedades magnéticas
  • Ímãs Artificiais – Fabricados pelo homem. Podem ser criados com o emprego de ligas metálicas variadas, sendo de grande utilidade nas indústrias elétrica e eletrônica. São ímãs permanentes, com aplicações diversas como na fabricação de alto-falantes, motores, microfones, equipamentos de medição, discos rígidos de computadores, etc.
  • Ímãs Temporários – Materiais que se imantam com muita facilidade, mas perdem a força magnética quando o fluxo magnetizante é suprimido. Um exemplo muito comum é uma liga de ferro e silício, amplamente empregada na fabricação de núcleos de transformadores, entre outras aplicações.

Neste artigo vamos abordar especificamente os ímãs artificiais, ou ímãs permanentes.

Básico sobre Ímãs

Sabe-se há muitos séculos que determinados tipos de pedras possuem propriedades de atração física sobre o metal ferro. Um dos tipos de minerais mais conhecidos desse tipo é a magnetita, que é mencionada em registros históricos antigos, de 2500 anos atrás ou mais, mencionada como uma curiosidade.

Esse tipo de mineral encontrou uso séculos mais tarde na navegação, pois descobriu-se que pedaços dessa pedra se alinhavam na direção norte-sul se fossem suspendidos por um fio ou boiando na água.

Objetos magnéticos possuem dois pólos com efeitos opostos, assim como as cargas elétricas, e esses pólos são denominados “pólo norte” e “pólo sul”, por conta de sua orientação em relação à Terra.

O estudioso francês Petrus Peregrinus de Maricourt (Peter Peregrinus) descobriu, em 1269, que é impossível isolar esses pólos cortando um pedaço de magnetita ao meio: cada metade cortada apresentava seus próprios polos norte e sul.

Assim como acontece com as cargas elétricas (positiva e negativa), pólos norte e sul (diferentes) se atraem, e pólos iguais (norte com norte ou sul com sul) se repelem, por meio de uma força invisível, que é capaz inclusive de atravessar objetos como folhas de papel colocadas entre dois ímãs.

É possível mapear esse campo de força invisível, e René Descartes o fez colocando um ímã por baixo de um pedaço de pano e espalhando limalha de ferro por sobre esse pano. A limalha se alinha por si própria de acordo com o campo magnético, criando uma forma característica. As linhas parecem se iniciar em um dos polos do ímã, e prosseguem até o outro polo, de forma concêntrica.

Chamamos de Fluxo Magnético à quantidade total do campo magnético (seu efeito), ou seja, a quantidade total de linhas de força magnéticas em um ímã. Já o fator que provoca a formação do fluxo no espaço é chamado de Força.
Uma corrente de fluxo magnético é chamada de “Linha”. E na prática, definimos o fluxo de campo magnético em termos do número de suas linhas de fluxo.

De acordo com as teorias modernas do magnetismo, um campo magnético é produzido por uma carga elétrica em movimento, como corrente elétrica atravessando um fio condutor, por exemplo. Já um ímã permanente, como um pedaço de magnetita, possui magnetismo como resultado da rotação dos elétrons do material de forma uniforme, na mesma direção. O que determina se os elétrons nos átomos de um material qualquer terão essa rotação uniforme é a estrutura atômica do material. Poucos materiais conseguem reagir a campos magnéticos, e ainda menos conseguem manter um campo magnético. O exemplo mais comum deste tipo de material é o ferro.

Se posicionarmos um pedaço de ferro próximo a um ímã permanente, ele se magnetizará. Ao aproximar o ferro de um ímã, os elétrons dentro de seus átomos orientam seus spins de acordo com a força do campo magnético aplicado e o material se torna magnetizado.

Um material é dito ferromagnético quando pode ser magnetizado com facilidade. “Magnetizado” significa que os spins dos elétrons dentro dos átomos do material são orientados facilmente ao serem submetidos a uma força de campo magnético externa.
Todos os materiais são magnéticos até certo ponto, sendo classificados principalmente em:

  • Ferromagnéticos – Facilmente magnetizáveis. Alguns materiais inclusive conseguem reter o magnetismo após a remoção do campo magnético externo; dizemos que esses materiais possuem boa retentividade. Essa propriedade é utilizada, por exemplo, em magnetizadores de chaves que são usadas para retirar parafusos de equipamentos.
  • Paramagnéticos – Materiais muito fracamente magnéticos
  • Diamagnéticos – Com a tendência a excluir campos magnéticos, ou seja, na presença de um campo magnético, esses materiais se tornam magnetizados, porém na direção oposta da força magnética aplicada, repelindo assim o campo externo.

Leia mais sobre tipos de materiais magnéticos aqui.

Tipos de Ímãs Permanentes

Existem diversos tipos de ímãs permanentes, que podem ser classificados de acordo com o material com o qual são produzidos. Alguns dos tipos mais comuns empregados atualmente são os seguintes:

AlNiCo

Um dos tipos de ímãs mais populares, a palavra Alnico faz referência aos três principais metais empregados em sua fabricação (além do ferro), que são o Alumínio(Al), Níquel (Ni) e Cobalto (Co). Outros metais podem aparecer em pequenas quantidades, como o Cobre (Cu)

Os ímãs de alnico foram desenvolvidos na década de 1930, e possuem características importantes, como boa estabilidade térmica (variações de temperatura) e boa intensidade magnética. Originalmente, foram desenvolvidos para uso em instrumentos e dispositivos de medição.

Na prática, existem diversas variantes do alnico, diferindo entre si pela proporção relativa de seus materiais constituintes. Os tipos de alnico são classificados por números, como Alnico 4 ou Alnico 7, por exemplo, sendo que quanto maior o número, em geral, mais  forte é o ímã. A exceção é o ímã de alnico 3, que é mais fraco que o de alnico 2.

A tabela a seguir mostra a formulação de alguns tipos de ímãs de alnico:

Tipo de Alnico Alumínio Níquel Cobalto Cobre Ferro (e outros metais) Força
Alnico 2 10% 19% 13% 3% 55% 40
Alnico 3 12% 25% 3% 60% 30
Alnico 4 12% 28% 5% 55% 52
Alnico 5 8% 14% 24% 3% 51% 48
Alnico 8 7% 15% 35% 4% 39% 100

Ímãs Cerâmicos ou de Ferrite

Nos anos 70, o preço do Cobalto começou a subir muito. Por conta disso, os fabricantes de ímãs começaram a pesquisar materiais de custo menor para substituição deste metal, pois ele é empregado na fabricação dos ímãs de alnico, amplamente utilizados na época.

Uma alternativa desenvolvida foram os ímãs de cerâmica, também chamados de Ferrite Sinterizada*, que são ímãs com excelente força magnética.

Os ímãs cerâmicos (ímãs de ferrite) são fabricados com uma combinação de um material cerâmico com óxido de ferro (Fe2O3), acrescido de pequenas quantidades de elementos como o Bário ou mais comumente o Estrôncio; esses materiais são misturados e prensados, sendo aquecidos em um forno posteriormente. Ao esfriar, o material é cortado no formato desejado para o ímã e, então, magnetizado.

Esse tipo de ímã é altamente resistente à corrosão, além de possuírem custo de fabricação muito baixo. Possui força magnética comparável à dos ímãs de AlNiCo. No geral, a temperatura máxima de operação deste tipo de ímã é cerca de 225 °C.

Conta de Ferrite toroidal. Ilustração por Sandra Tamashiro.

Conta de Ferrite toroidal. Ilustração por Sandra Tamashiro.

Suas desvantagens principais são o fato de serem muito quebradiços, além de sere mais fracos (magneticamente) do que os ímãs de terras raras, que abordaremos na sequência.

As ferrites são muito empregadas em inúmeras aplicações, tais como:

  • Alto-falantes
  • Reed Switches
  • Motores
  • Fornos de Microondas
  • Núcleos de Bobinas Indutoras
  • Brinquedos
  • Equipamentos de Medição

Entre outros.

*Obs.: Sinterizar significa “fazer (um material em pó) coalescer em uma massa sólida ou porosa, aquecendo-a (e geralmente também comprimindo-a) sem que haja liquefação“.

Samário-Cobalto (SmCo)

Nos anos 70 também foram desenvolvidos ímãs que usam uma liga especial dos elementos Samário (Sm) e Cobalto, em uma proporção típica de 36% Sm e 64% Co. Esta liga pode ser magnetizada dando origem a um ímã bastante poderoso, e encontra inúmeras aplicações na indústria eletrônica.

Este tipo de ímã é adequado para aplicações em altas temperaturas por conta de sua estabilidade térmica, sendo que algumas ligas chegam a suportar até 550°C sem perder sua magnetização. São muito empregados em aplicações automotivas, aeroespaciais, militares e na indústria em geral.

Uma de suas desvantagens é o custo, que é mais elevado em relação a outras alternativas, como os ímãs de Alnico e de Neodímio, por exemplo. Outra desvantagem é sua fragilidade – os ímãs de Samário-Cobalto podem se quebrar com muita facilidade se sofrerem algum tipo de impacto, como uma queda.

Suas principais aplicações incluem:

  • Sensores
  • Motores e Instrumentos que operam em altas temperaturas
  • Turbinas
  • Implantes e Próteses Médicas

Entre outras.

Ímãs de Neodímio

Os ímãs de neodímio, assim como os de SmCo, são ímãs de terras raras que fornecem grande força magnética em relação ao seu peso, de modo a serem bem mais leves que ímãs equivalentes de alnico ou cerâmica, e ainda assim produzindo um forte campo magnético.

O que chamamos de ímã de neodímio é, na verdade, um ímã de Neodímio-Ferro-Boro (NdFeB), que possui uma das mais altas forças magnéticas de todos os ímãs em produção atualmente, estando disponíveis em diversos tamanhos, formatos e graduações. São empregados em inúmeras aplicações, tais como motores DC sem escovas, separação magnética, máquinas de MRI (ressonância magnética), fabricação de sensores variados, alto-falantes, discos rígidos para computadores, entre outras.

Ímã de Neodímio (NdFeB) retirado de um disco rígido de computador.

Ímã de Neodímio (NdFeB) retirado de um disco rígido de computador.

São ímãs extremamente poderosos, e de custo relativamente baixo, encontrando inúmeras aplicações na indústria.

Além dos elementos Nd, Fe e B, este tipo de ímã também pode ter em sua composição outros elementos, como Disprósio (Dy) e Térbio (Tb), entre outros.

Uma de suas desvantagens é sua temperatura de operação máxima, que gira em torno dos 80°C. É possível aumentar esse limite até cerca de 200°C com a adição dos elementos citados anteriormente, como o Disprósio. Além disso, os ímãs de neodímio são suscetíveis à corrosão, necessitando de uma camada de proteção.

Suas principais aplicações incluem:

  • Alto-falantes
  • Discos Rígidos de Computadores
  • Motores
  • Turbinas Eólicas
  • Scanners de Ressonância Magnética (MRI)
  • Aplicações Automotivas

Entre outras.

Imãs GBD

GBD, acrônimo de “Grain Boundary Diffusion“, ou difusão de fronteira granular, são um tipo de ímã de neodímio que possui alta densidade de energia e grande estabilidade térmica, com custo relativamente moderado. Em sua fabricação são empregadas quantidades reduzidas de elementos como Disprósio (Dy) e Térbio (Tb), que são terras raras com excelentes propriedades magnéticas.

Outros Tipos de Ímãs

Diversos outros tipos de ímãs permanentes existem, criados para aplicações específicas, tais como os ímãs SmFeN (Samário-Ferro-Nitrogênio), PtCo (Platina-Cobalto), Alcomax (FeNiAlCoCu), Hycomax (AlCoNiCuTiFe) e Lodex (SbFeCoPb), entre outros.

No próximo artigo vamos iniciar o estudo do Eletromagnetismo.

Referências

  • Gallagher, M. Guitar Tone – Pursuing the Ultimate Guitar Sound. Cengage Learning. 2012
  • Curso Facil de Electronica Basica CEKIT
  • Arnold Magnetic Technologieshttps://www.arnoldmagnetics.com/
  • Permanent Magnets Brochure. Goudsmit Magnetic Supplies Group – Netherlands.

 

Sobre Fábio dos Reis (1405 Artigos)
Fábio dos Reis trabalha com tecnologias variadas há mais de 25 anos, tendo atuado nos campos de Eletrônica, Telecomunicações, Programação de Computadores e Redes de Dados. É um entusiasta de Unix, Linux e Open Source em geral, adora Eletrônica e Música, e estuda idiomas, além de ministrar cursos e palestras sobre diversas tecnologias em São Paulo e outras cidades do Brasil.
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