Aplicações do magnetismo

Aplicações do magnetismo

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18 • CIÊNCIA HOJE • vol. 36 • nº 215

Os fenômenos magnéticos foram, talvez, os primeiros a despertar

O que motores elétricos, discos rígidos de computador, televisores, carros, fitas de videocassete e cartões de créditos têm em comum? Resposta: materiais magnéticos. Presentes em inúmeros utensílios da vida moderna – o famoso ‘ímã de geladeira’ talvez seja o caso mais emblemático –, esses materiais, por sua importância e complexidade, fazem com que as pesquisas sobre magnetismo sejam intensas na atualidade, com grandes avanços nas últimas duas décadas. Neste artigo, o leitor vai ser atraído para o vasto campo das aplicações dos materiais magnéticos, cujo mercado atual movimenta cifras que chegam a centenas de bilhões de dólares.

Marcelo Knobel Instituto de Física Gleb Wataghin, Universidade Estadual de Campinas (SP) a curiosidade da humanidade sobre o interior da matéria. Os mais antigos relatos de experiências com a ‘força misteriosa’ da magnetita (Fe3O4), o ímã natural, são atribuídos aos gregos e datam de

800 a.C. A primeira utilização prática do magnetismo foi a bússola, inventada pelos chineses na dinastia Han, em 200 d.C., e baseada na propriedade que uma agulha magnetizada tem de se orientar na direção do campo magnético terrestre. A bússola foi empregada em navegação pelos chineses em 900 d.C., mas só foi descoberta e usada pelo mundo ocidental a partir do século 15.

Os fenômenos magnéticos ganharam uma dimensão muito maior quatro séculos mais tarde, com a descoberta de sua relação com a eletricidade através dos trabalhos do dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), do francês André Marie Ampère (1775-1836), do inglês Michael Faraday (1791-1867) e do norte-americano Joseph Henry (1797-1878), para citar alguns poucos exemplos. No final do século 19, diversos fenômenos já eram compreendidos e tinham inúmeras aplicações tecnológicas, das quais o motor e o gerador elétrico eram as mais importantes.

Apesar de séculos e séculos de investigações, o magnetismo em nível microscópico só foi compre-

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maio de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 19 endido na primeira metade do século passado, após o advento da física quântica, que nasceu em 1900, com a hipótese do físico alemão Max Planck (1858- 1947) dos quanta de energia, ou seja, a de que, na natureza, a energia é gerada e absorvida em diminutos pacotes – os quanta – e não como um fluxo contínuo, como se imaginava até então. Posteriormente, essa idéia levou ao desenvolvimento da chamada física quântica – teoria para os fenômenos do diminuto universo das entidades atômicas e moleculares – através dos trabalhos do físico alemão Albert Einstein (1879-1955), do dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), do alemão Werner Heisenberg (1901-1976), do britânico Paul Dirac (1902-1984), entre outros.

O século passado testemunhou um avanço impressionante no entendimento do fenômeno do magnetismo, e, conseqüentemente, suas aplicações se multiplicaram e foram substancialmente aprimoradas. Apesar desses avanços, ainda há muitas coisas por compreender.

Três categorias

Nas aplicações tradicionais, como em motores, geradores e transformadores, os materiais magnéticos são utilizados em três categorias principais: como ímãs permanentes – que têm a propriedade de criar um campo magnético constante – e como materiais magnéticos doces (ou permeáveis), que são magnetizados e desmagnetizados com facilidade e produzem um campo magnético muito maior ao que seria criado apenas por uma corrente enrolada na forma de espira.

Sobre a terceira grande categoria de aplicação, a chamada gravação magnética, vale a pena se estender um pouco mais, pois ela adquiriu grande importância nas últimas décadas. Essa aplicação é baseada na propriedade que o cabeçote de gravação tem de gerar um campo magnético em resposta a uma corrente elétrica. Com esse campo, é possível alterar o estado de magnetização de um meio magnético próximo, o que possibilita armazenar nele a informação contida no sinal elétrico.

A recuperação (ou a leitura) da informação gravada é realizada pelo processo inverso, denominado indução. Ou seja, a mídia magnetizada e em movimento sobre o cabeçote de leitura induz nele uma corrente elétrica. Hoje, além do fenômeno de indução, também são utilizados novos materiais estruturados artificialmente, formados por multicamadas magnéticas conhecidas como ‘válvulas de spin’.

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A gravação magnética é essencial para o funcionamento de gravadores de som e de vídeo, bem como de inúmeros equipamentos acionados por cartões magnéticos, como os caixas eletrônicos de banco.

O ciclo de histerese

No século passado, ocorreu uma verdadeira revolução na compreensão das propriedades fundamentais dos materiais magnéticos. Com isso, tornou-se possível a produção de ligas cada vez melhores do ponto de vista das aplicações.

O que determina o enquadramento nas três categorias descritas acima é o ciclo de histerese do material. Esse ciclo é representado pelo gráfico da magnetização M do material em função do campo magnético externo aplicado H (figura 1). Em outras palavras, o ciclo de histerese mostra o quanto um material se magnetiza sob a influência de um campo magnético e o quanto de magnetização permanece nele depois que esse campo é desligado. Por exemplo, o ferro se magnetiza com um campo externo de baixa intensidade, mantendo uma mag- netização relativamente baixa depois desse processo. Já as ligas de samário e cobalto (Sm-Co), por exemplo, precisam de campos muito intensos para ser totalmente magnetizadas, mas retêm muita magnetização quando o campo é desligado.

Um bom ímã

Os ímãs permanentes são dispositivos usados para criar um campo magnético estável em uma dada região do espaço, sendo a mais antiga aplicação dos materiais magnéticos. Eles têm um papel importante na tecnologia moderna, sendo amplamente usados em dispositivos eletromagnéticos (motores, geradores etc.), dispositivos acústicos (alto-falantes, fones, agulhas magnéticas etc.), equipamentos médicos (sistemas de ressonância magnética nuclear, marca-passos etc.), instrumentos científicos, entre outros. Como exemplo, a figura 2 mostra a quantidade de ímãs que são utilizados em um carro moderno.

Como os ímãs são usados essencialmente para armazenar energia, seu mérito é definido como a

Magnetização nula

Magnetização do material

Intensidade do campo magnético aplicado

M Ms MR

Magnetização de saturação Magnetização remanente

Coercividade

Magnetização de saturação no sentido oposto

Magnetização nula

Figura 1. O ciclo de histerese de um material magnético é obtido ao aplicar sobre ele um campo magnético e medir sua resposta (magnetização). O campo inicialmente é nulo e é aumentado gradativamente (linha tracejada), até o material não mudar mais sua magnetização com a aplicação de campo (magnetização de saturação). Depois, ele é reduzido até atingir o valor nulo novamente. Entretanto, após a aplicação do campo, geralmente o valor da magnetização não é o mesmo da magnetização inicial, sendo chamada magnetização remanente (MR ) ou simples- mente remanência. O sentido do campo é, então, invertido e vai sendo aumentado mais uma vez. O campo reverso necessário para fazer com que a magnetização retorne ao valor nulo é conhecido como campo coercivo ou coercividade

(Hc ). O campo continua sendo aumentado até, novamente, o material alcançar o valor de saturação no sentido in- verso. O campo é posteriormente reduzido e invertido novamente, até fechar o ciclo

maio de 2005 • CIÊNCIA HOJE • 21 máxima energia magnética armazenada por unidade de volume. Essa grandeza – denominada pro- duto energético máximo (BHmax) – corresponde à área do maior retângulo que pode ser inscrito no segundo quadrante (superior, à esquerda) do ciclo de histerese, mostrado na figura 1.

Geralmente, um bom ímã é aquele que retém uma magnetização elevada depois que foi submetido a um campo magnético externo – preferencialmente, de baixa intensidade. Os físicos denominam coercividade o valor do campo magnético externo necessário para desmagnetizar um ímã. Assim, quanto maior a coercividade, melhor será o ímã permanente, pois isso indica que ele se desmagnetizará com mais dificuldade. Já a chamada magnetização remanente – ou, simplesmente, remanência – indica o quanto um material retém de magnetização, depois de ser submetido a um campo magnético externo.

Portanto, quanto mais largo e mais alto for o ciclo de histerese, melhor será o ímã permanente, pois ele terá coercividade e magnetização remanente elevadas. Alguns materiais, mesmo quando o campo magnético aplicado sobre eles é praticamente nulo, permanecem com magnetização elevada, gerando um campo magnético apreciável em torno deles. Esse é o caso dos ímãs convencionais que conhecemos – um dos exemplos são os chamados ‘ímãs de geladeira’, atualmente muito empregados no campo da publicidade.

A descoberta recente

As ligas denominadas alnico foram descobertas em 1930 e são constituídas de ferro (Fe), níquel (Ni) e cobalto (Co) e dotadas de pequenas quantidades de alumínio (Al), cobre (Cu) e titânio (Ti) – a palavra alnico vem da aglutinação das siglas dos elementos químicos alumínio, níquel e cobalto. Essas ligas permitiram a fabricação de ímãs com produto energético de até 43 mil joules por metro cúbico de liga (BHmax = 43 kJ/m3). Outro material muito importante dessa classe é a liga de samário e cobalto (Sm-Co), que foi descoberta no início da década de 1960 e que possibilitou o surgimento, na década seguinte, de ímãs comercialmente disponíveis com produto energético em torno de 150 kJ/m3. Como conseqüência do enorme progresso da tecnologia de materiais magnéticos, tivemos a descoberta recente, em 1983, de novos ímãs de neodímio, ferro e boro (Nd-Fe-B), cujo produto energético é de 300 kJ/m3.

Com essa crescente evolução, centenas de aplicações tecnológicas – em especial, motores e altofalantes – tiveram – e ainda têm – drástica redução de peso e tamanho, bem como grande aumento na eficiência. O mercado mundial de materiais magnéticos duros (ou permanentes) é da ordem de US$ 1 bilhão ao ano, mas o mercado dos bens que deles dependem é dezenas de vezes mais elevado.

Figura 2. Diversos ímãs (materiais magnéticos duros) utilizados em um carro moderno

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Doces, suaves ou moles

Por outro lado, um ciclo de histerese muito estreito indica um bom material magnético doce – também chamado permeável, suave ou mole. Esses materiais são caracterizados por uma baixa coercividade – ou seja, se desmagnetizam com facilidade – e alta permeabilidade magnética – isto é, retém uma magnetização elevada a partir de um campo aplicado de baixa intensidade. Bons exemplos de materiais magnéticos doces – além de ligas clássicas como permalloy e mumetal – são as ligas ferromagnéticas amorfas (materiais sem estrutura definida, como o vidro, por exemplo, só que metálicos). Essas ligas, também descobertas na década de 1960, podem ser produzidas na forma de fitas, fios, filmes e, mais recentemente, até como estruturas maciças.

Podem-se separar os materiais magnéticos amorfos em duas categorias: ligas à base de ferro e ligas à base de cobalto. As primeiras podem reter uma maior magnetização quando submetidas a um campo magnético externo, mas perdem essa magnetização a temperaturas mais baixas que as ligas de cobalto. Assim, cada categoria de liga encontra um nicho de aplicação específico. É interessante notar, entretanto, que, formando ligas à base de ferro e cobalto, é possível encontrar composições com ótimas propriedades, quando se adicionam em torno de 5% de cobalto e 70% de ferro, bem como silício e boro. Com isso, obtêm-se os melhores magnetos doces – ou seja, aqueles que respondem muito fortemente à aplicação de campo magnético, mantendo uma coercividade muito baixa, em torno de 10 vezes menor que o campo magnético terrestre.

Materiais magnéticos doces, incluindo os amorfos, são utilizados em motores, geradores e transformadores, economizando bilhões de dólares todos os anos, pois ajudam a diminuir perdas energéticas na produção e distribuição de eletricidade. É também crescente o uso desses materiais como sensores magnéticos, que têm um mercado estimado em torno de US$ 1 bilhão ao ano. Assim, como no caso dos ímãs permanentes, esse mercado é multiplicado por um fator elevado, se considerarmos os diferentes dispositivos que dependem desses materiais e também a economia de energia decorrente de seu uso em aplicações práticas.

Cobalto

Mídia magnética em movimento

Cabeçote indutivo

Entrada do pulso elétrico

Cabeçote magnetorresistivo

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