A história e a evolução científica dos ímãs
Os ímãs, que aparentemente são objetos bastante comuns, remontam à época da curiosidade e do conhecimento humano. Ainda hoje, os filósofos admirariam a ciência por trás do fenômeno da pedra natural do filósofo grego Tales, a surpreendente invenção da bússola Si Nan da China e os avanços revolucionários do eletromagnetismo moderno. Além do progresso científico do qual os ímãs têm sido uma grande fonte, eles também influenciaram profundamente a navegação, a cultura e a tecnologia industrial. A origem dos ímãs é um conto com histórias intrigantes e as maravilhas da ciência.
Origem do nome "Magnet" (ímã)
Dois nomes diferentes eram originalmente conhecidos como Magnet. Um deles era Magnesia, na Grécia, a terra do minério de magnetita, onde as pessoas eram chamadas de "ímãs". O segundo veio de uma história grega sobre um pastor chamado Magnes que tinha sapatos de ferro e uma ponta de bengala de ferro presa a uma rocha no Monte Ida, o que lhe deu a ideia do poder magnético da magnetita. Ainda não comprovada, a lenda confere aos ímãs um charme misterioso e romântico.
Magnesia não se refere apenas à região da Tessália, na Grécia, mas possivelmente também a Manisa, na Turquia, que foi historicamente chamada de Magnesia e é uma fonte significativa de magnetita. O naturalista romano Plínio, o Velho, documentou a história de Magnes em sua obra Natural History, de 77 d.C., chamando a magnetita de "lithos magnes" e atribuindo sua atração a forças sobrenaturais. Essa origem geográfica e mitológica reflete a antiga admiração pelo "poder invisível" da magnetita. Na China, a magnetita era chamada de Cishi (pedra da compaixão), que significa "pedra afetuosa", pois "atraía" o ferro - uma interpretação cultural única do magnetismo.
Origens dos ímãs
Descoberta do Lodestone Natural
Por volta de 600 a.C., o filósofo grego Tales de Mileto foi o primeiro a registrar as características incomuns da pedra natural: ela atraía o ferro e influenciava outros ímãs. Com essa observação, Tales abriu efetivamente a história do eletromagnetismo e a investigação filosófica humana sobre coisas comuns. Tales acreditava que a atração da magnetita vinha de uma "alma" ou força vital, uma forma antiga de lidar com o desconhecido. Descobertas arqueológicas indicam que a magnetita era usada nos tempos neolíticos para decoração ou cerimônias, mas seu magnetismo não havia sido reconhecido e estudado até Tales.
A descoberta feita por Tales não foi, de forma alguma, um caso isolado. Os povos das antigas civilizações egípcia e mesopotâmica podem ter visto a magnetita, mas não há registros escritos que confirmem seu conhecimento. A magnetita é um dos óxidos de ferro naturais mais comuns e pode ser encontrada em rochas vulcânicas e sedimentares. O principal mérito de Tales foi fazer com que os filósofos reconhecessem o fenômeno. Ele foi o primeiro a sugerir uma visão de mundo "animista" que mais tarde levaria à investigação da causa.
A bússola antiga da China: Nascimento do Si Nan
Durante o século II a.C., os chineses criaram o Si Nan, um instrumento que se assemelhava a uma colher, era feito de magnetita, a substância natural mais magnética, era colocado em uma placa de bronze com direções marcadas e foi o primeiro a apontar para o sul. O Si Nan incorporava a antiga cosmologia chinesa porque foi o primeiro a representar a visão chinesa do mundo. A baixa precisão do Si Nan fez com que ele não fosse uma ferramenta de navegação aceitável. Ainda assim, ele indicou pela primeira vez o uso do magnetismo por seres humanos para fins de orientação. Os chineses construíram bússolas flutuantes para uma navegação muito simples no mar por volta de 800 d.C. A partir daí, a tecnologia magnética se espalhou por todo o mundo.
O ponteiro de Si Nan, que tinha o formato de uma colher, foi o mais preciso já feito com magnetita natural, e foi ele que indicou o caminho para o polo sul da Terra, algo muito importante no feng shui. Ele se tornou um dos objetos da dinastia Song (960-1279 d.C.), que mais tarde foi transformado em um peixe que apontava para o sul e em uma tartaruga que apontava para o sul, ambos artísticos e precisos. Esses instrumentos chegaram ao mundo árabe por meio da Rota da Seda, onde os navegadores árabes os distribuíram para a Europa Ocidental com a ajuda de Marco Polo e outros exploradores. As estrelas e as relíquias de túmulos astrológicos da dinastia Han frequentemente acompanham as placas de bronze Si Nan, confirmando sua importância social.
Poder de cura dos ímãs: Ancient Medical Myths (Mitos Médicos Antigos)
Entre 460 e 370 a.C., Hipócrates, o pai da medicina grega, propôs que os ímãs tinham poderes curativos, alegando que seus campos poderiam "extrair" doenças.
A magnetoterapia é uma prática muito antiga que pode ser rastreada até os tempos dos antigos egípcios. No Papiro de Ebers, os minérios magnéticos são indicados como remédio para dor e inflamação, a fim de "dispersar os espíritos malignos". De acordo com os textos do Ayurveda indiano do século I a.C., a magnetita era usada para o tratamento de dores de cabeça e artrite. Os alquimistas europeus medievais não apenas ampliaram a terapia magnética, mas também declararam que ela era capaz de trazer uma harmonia perfeita de "forças vitais" ou "fluidos magnéticos". A popularidade da terapia magnética deveu-se principalmente ao fato de que ela espelhava o interesse dos povos antigos pelos poderes da natureza e seu hábito de associar os fenômenos físicos à saúde. Ainda hoje, algumas pessoas são atraídas por pulseiras e tapetes magnéticos modernos. Assim, essa prática é mantida.
Descoberta e denominação da eletricidade
Por volta de 600 a.C., Tales notou que, quando o âmbar era esfregado, atraía penas, o primeiro registro de eletricidade estática. No entanto, ele não conseguiu explicar o fato. Em 1600, o médico inglês William Gilbert diferenciou a eletricidade do magnetismo de forma sistemática, chamando "eletricidade" do grego "ēlektron" (âmbar). Seu trabalho, De Magnete, foi como o primeiro degrau da escada dos estudos elétricos.
O experimento mínimo de Tales foi a ignição do primeiro fogo, a pesquisa da carga humana. Ele estava além de explicar a atração do âmbar para "algo" humanamente mais magnético, "alma" ou algo semelhante. Gilbert inventou o "versorium", um dispositivo para localizar a carga de atrito que poderia separar os condutores dos isolantes. Além disso, ele também descobriu que a atração eletrostática fica mais fraca com a umidade. De Magnete foi uma grande mudança da concepção para a ciência experimental e teve um impacto sobre personalidades do século XVII, como Otto von Guericke, que construiu o primeiro gerador eletrostático.
Descoberta do campo magnético da Terra
Em 1600, William Gilbert sugeriu que a Terra era um ímã gigante e que o campo magnético da Terra era o que fazia a agulha da bússola se alinhar no sentido norte-sul. Os experimentos com modelos confirmaram isso, o que significava que os antigos mitos não eram mais válidos. A teoria de Gilbert foi a base do geomagnetismo, que resolveu o problema da navegação com bússola.
Gilbert investigou minuciosamente o funcionamento da agulha da bússola. Por meio de uma esfera magnetizada como modelo para a Terra, ele demonstrou que as agulhas sempre apontam para os polos magnéticos. A conjectura de Gilbert declarou que o núcleo da Terra era composto de materiais magnéticos. Isso foi confirmado no século XX: o campo da Terra vem do fluxo profundo de ferro-níquel do núcleo externo. Esse campo fornece uma espécie de proteção contra o vento solar e os raios cósmicos. A descoberta de Gilbert apoiou a navegação dos marinheiros do século XVII. Entretanto, no período posterior, o estudo do paleomagnetismo com o uso da magnetização remanescente da magnetita teve um impacto na compreensão da deriva continental e da inversão do polo magnético.
Equações de Maxwell: Pedra angular do eletromagnetismo
Em 1864, o físico James Clerk Maxwell publicou quatro equações unificando a eletricidade e o magnetismo, estabelecendo a eletrodinâmica. Previsão de ondas eletromagnéticas e viabilização de rádio, radar e comunicações modernas.
Maxwell combinou as descobertas de Faraday, Oersted e outros com a ajuda do formalismo matemático. A primeira instância de suas equações revelou que os campos elétricos variáveis criam campos magnéticos e, assim, ele conseguiu conceber a luz como uma onda eletromagnética. Em 1887, Heinrich H. Maxwell comprovou a teoria de Maxwell ao montar um experimento que mostrou que ele podia produzir ondas eletromagnéticas.
Invenção dos ímãs artificiais
Gowin Knight, um cientista inglês de 1730, inventou o primeiro ímã permanente fabricado artificialmente, que era um ímã composto de agulhas de aço magnetizadas agrupadas.
O experimento de Knight superou as limitações do lodestone natural, lançando a produção de ímãs artificiais. Os ímãs compostos aproveitavam a sinergia dos polos para aumentar a força do campo.
Eletroímãs: Nascimento de campos controláveis
Em 1825, um cientista britânico, William Sturgeon, criou o eletroímã em forma de ferradura, que era basicamente um núcleo de ferro envolto por um fio de cobre que produzia um campo magnético quando da aplicação de uma corrente elétrica. O trabalho de Sturgeon foi derivado da pesquisa do físico François Arago, que analisou o fenômeno do magnetismo induzido por uma corrente elétrica. O design da ferradura de Sturgeon tornou o campo magnético mais eficiente e, portanto, foi possível usar mais bobinas e corrente para obter uma força magnética maior. Durante o século XIX, os eletroímãs alimentavam os telégrafos, os motores elétricos e os geradores.
Ímãs de neodímio: O auge dos ímãs permanentes modernos
Em 1982, a General Motors e o físico japonês Masato Sagawa desenvolveram independentemente a liga de NdFeB, criando ímãs permanentes ultraforte.
O NdFeB tem produtos de energia mais altos, de até 400 kJ/m³. Assim, ele está além do alcance dos ímãs tradicionais e é o principal ímã para motores de veículos elétricos, turbinas eólicas, discos rígidos e fones de ouvido. O avanço da liga de NdFeB foi um processo metalúrgico complicado, no qual elementos de terras raras foram usados para aumentar a coercividade e a estabilidade térmica da liga.
Classificação moderna de ímãs
Ímãs permanentes: Força duradoura
Eles são feitos de materiais ferromagnéticos e não perdem seus campos mesmo quando estão sem energia. Os ímãs de NdFeB têm seu melhor uso nos dispositivos de alta tecnologia mais avançados, enquanto os ímãs de ferrite são usados em alto-falantes e como ímãs de geladeira.
Ímã permanente A magnetização se origina do spin do elétron e do movimento orbital dentro do material. Os campos de NdFeB chegam a 1,4 tesla, o que é ideal para geradores de turbinas eólicas de alta eficiência. Os ímãs de ferrite, embora mais fracos, são conhecidos por sua alta estabilidade e baixo custo, e são amplamente utilizados em aparelhos e sensores.
Eletroímãs: Ferramentas industriais flexíveis
Os campos acionados por corrente permitem força ajustável, o que é crucial em automação, reciclagem e pesquisa. Os campos desaparecem quando desligados, o que é ideal para comutação.
Os eletroímãs levantam toneladas de sucata metálica. Possibilitam trens maglev e fortalecem a pesquisa. Os eletroímãs supercondutores geram campos magnéticos ultrafortes, o zero definitivo da Terra para a fusão e a física de partículas. A força do campo é escalonada com a densidade da corrente e da bobina.
Ímãs naturais: Fonte magnética da Terra
Formado por vulcanismo e geomagnetismo. A própria Terra atua como um ímã gigante: seu campo de geodínamo protege o planeta do vento solar.
A Terra tem seus guias de campo, como bússolas, além de animais para navegação. Os cientistas fizeram experiências com magnetita do passado, que tem magnetismo remanescente, para reconstruir a tectônica de placas e as reversões de polos. As bandas de magnetita do Meio Atlântico mostram reversões de campo a cada 200 anos. O enfraquecimento do campo pode contribuir para o aumento das auroras e dos riscos de tempestades solares. A pesquisa climática e planetária pode descobrir isso no futuro.
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