Como funcionam os eletroímãs

Introdução

A idéia básica por trás de um eletroímã é extremamente simples: ao passar uma corrente elétrica por um fio, é possível criar um campo magnético.

Usando este princípio simples, é possível criar todos os tipos de coisas, incluindo motores, solenóides, cabeçotes de leitura/gravação para discos rígidos e toca-fitas, alto-falantes e outras coisas mais. Neste artigo, você vai aprender como os eletroímãs funcionam e também vai ter a chance de testar vários experimentos com um eletroimã que você pode criar sozinho.


Um ímã comum
Antes de falar sobre os eletroímãs, vamos falar sobre os ímãs normais e "permanentes" como os que colocamos na geladeira e com os quais você provavelmente brincava quando criança.

Os ímãs têm 2 lados, normalmente marcados com "norte" e "sul", e eles atraem coisas feitas de ferro ou aço. Provavelmente você sabe a lei fundamental de todos os ímãs: os lados opostos se atraem e os iguais se repelem. Por isso, se tiver 2 barras de ímã com extremidades marcadas "norte" e "sul", a extremidade norte de um ímã irá atrair a extremidade sul do outro. Por outro lado, a extremidade norte de um ímã irá repelir a extremidade norte do outro (e de maneira semelhante, a sul de um irá repelir a sul do outro).

Um eletroimã é muito semelhante, exceto pelo fato de que é "temporário", ou seja, o campo magnético só existe quando a corrente elétrica está passando.

Um eletroímã
Um eletroímã começa com uma pilha ou bateria (ou alguma outra fonte de energia) e um fio. O que a pilha produz são os elétrons.

Se você olhar qualquer pilha D (uma pilha de lanterna, por exemplo), dá para ver que há duas extremidades, uma marcada com um sinal de mais (+) e outra marcada com o sinal de menos (-). Os elétrons estão agrupados na extremidade negativa da pilha e, podem fluir para a extremidade positiva, com o auxílio de um fio. Se você conectar um fio diretamente entre os terminais positivo e negativo de uma pilha, três coisas irão acontecer:
os elétrons irão fluir do lado negativo da pilha até o lado positivo o mais rápido que puderem;
a pilha irá descarregar bem rápido (em questão de minutos). Por esse motivo, não costuma ser uma boa idéia conectar os 2 terminais de uma pilha diretamente um ao outro, normalmente, você conecta algum tipo de carga no meio do fio. Essa carga pode ser um motor, uma lâmpada, um rádio;
um pequeno campo magnético é gerado no fio. É esse pequeno campo magnético que é a base de um eletroímã.

Campo magnético
A idéia de campo magnético pode ter lhe surpreendido, mas ele, definitivamente, existe em todos os fios que transportam eletricidade. Dá para provar isso com um experimento. Você vai precisar de:
uma pilha AA, C ou D;
um pedaço de fio; se não tiver um fio na sua casa, compre um carretel de fio de cobre fino isolado em uma loja de equipamentos eletrônicos ou de ferragens perto da sua casa. Um fio como o de telefone é perfeito, basta você cortar a capa de plástico e vai encontrar 4 fios lá dentro;
uma bússola.

Coloque a bússola sobre a mesa e, com o fio perto da bússola, conecte, por alguns segundos, o fio entre as extremidades positiva e negativa da pilha. O que você vai perceber é que a agulha da bússola se desloca. Inicialmente, a bússola irá apontar para o pólo norte da Terra, como mostrado na figura à direita (lembre-se que dependendo da sua posição no planeta, a agulha não ficará como a da nossa figura.) Ao conectar o fio à pilha, a agulha da bússola oscila, visto que essa agulha é um pequeno ímã com um pólo norte e um pólo sul. Considerando que a agulha é pequena, ela é sensível a campos magnéticos pequenos. Então, o campo magnético criado no fio, pelo fluxo de elétrons, afeta a bússola.

A bobina
A figura abaixo mostra o formato do campo magnético ao redor do fio. Nessa figura, imagine que você cortou o fio e está olhando para ele a partir de sua ponta. O círculo verde na figura é o corte transversal do fio. Um campo magnético circular se desenvolve ao redor do fio, como mostrado pelas linhas circulares na ilustração abaixo. O campo fica mais fraco conforme se afasta do fio (as linhas de campo ficam mais afastadas umas das outras conforme se distanciam do fio). É possível ver que o campo é perpendicular ao fio e que o sentido do campo depende do sentido da corrente no fio. A agulha da bússola se alinha com esse campo. Usando o dispositivo que você criou na seção anterior, se você inverter as ligações na pilha, de forma que a corrente flua em sentido contrário, e o experimento for repetido, você vai ver que a agulha da bússola se alinha no sentido oposto.



Campo magnético de um fio


Devido ao fato de que o campo magnético ao redor de um fio é circular e perpendicular a ele, uma maneira fácil de amplificar esse campo magnético é enrolar o fio como uma bobina, como mostrado abaixo



Campo magnético de uma volta


Por exemplo, se você enrolar o seu fio ao redor de um prego 10 vezes (10 espiras), conectar o fio à pilha e trazer uma extremidade do prego perto da bússola, você vai descobrir que ele exerce um efeito muito maior sobre a bússola. Na verdade, o prego se comporta da mesma maneira que um ímã em barra.



No entanto, o ímã existe somente quando houver corrente fluindo da pilha. Você acabou de criar um eletroímã e vai descobrir que este ímã tem a capacidade de içar pequenos objetos de aço como clipes de papel, grampos e tachinhas.

Experimentos interessantes sobre eletroímãs
Qual é a força magnética de uma simples bobina de fio ao redor de um prego? Com 10 voltas de fio? E com 100 voltas? Faça o experimento com números de voltas diferentes e veja o que acontece. Uma maneira de medir e comparar a "força" de um ímã é ver quantos grampos (de grampeador) ele pode içar.


Qual a diferença que a voltagem faz na intensidade do campo magnético de um eletroímã? Se eu conectar 2 pilhas em série para conseguir 3 volts, vou aumentar a intensidade do campo do meu ímã? Não faça experimentos com mais de 6 volts e não use nada a não ser pilhas de lanterna. Não faça experimentos com a corrente elétrica da rede elétrica da sua casa ou com baterias de carro, pois podem matá-lo.


Qual a diferença que um núcleo de ferro e um de alumínio fazem no ímã? Por exemplo, enrole papel alumínio até ficar bem apertado e use-o como o núcleo do seu ímã em vez do prego. O que acontece? E se você usar um núcleo de plástico, como uma caneta?


E os solenóides? Um solenóide é mais uma forma de eletroímã. Ele é um tubo eletromagnético geralmente usado para mover linearmente um pedaço de metal. Encontre um canudinho ou uma caneta velha (retire o tubo de tinta) e ache um prego pequeno também (ou um clipe de papel desentortado) que caibam dentro do tubo da caneta. Dê 100 voltas no fio ao redor do tubo. Coloque o prego ou clipe de papel em uma ponta da bobina e então conecte a bobina na pilha. Percebe como o prego se move? Os solenóides são usados em todos os tipos de lugares, especialmente em travas. Se o seu carro tem travas elétricas, talvez elas funcionem com o uso de um solenóide. Outra coisa comum para se fazer com o solenóide é substituir um prego por um ímã permanente fino e cilíndrico. Isto torna possível mover o ímã para dentro e para fora mudando o sentido do campo magnético do solenóide. Cuidado ao tentar colocar um ímã no seu solenóide, pois esse ímã pode ser arremessado para fora.


E como é que eu tenho certeza de que realmente há um campo magnético? Dá para ver o campo magnético de um fio usando limalhas de ferro. Compre umas limalhas de ferro ou encontre umas passando um ímã sobre areia de playground ou de praia. Coloque um pouquinho de limalhas sobre uma folha de papel e coloque esse papel sobre um ímã. Dê umas batidinhas no papel e as limalhas vão se alinhar de acordo com o campo magnético, o que permite que você veja seu formato.