Arranjos de ímãs permanentes rivalizam com ímãs supercondutores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/07/2025

Sistema magnético "focalizado", composto por dois anéis empilhados, cada um com 16 ímãs de FeNdB de 20 mm cada. O diâmetro interno é de 160 mm e o campo magnético de 20 mT apresenta uma homogeneidade de aproximadamente 5 por mil em um volume esférico com diâmetro de 50 mm.
[Imagem: Peter Blümler]

Campos magnéticos homogêneos

Pegue um ímã permanente e você dispõe prontamente de um campo magnético. Mas tente usá-lo para construir um motor eficiente e você logo descobrirá que precisa de um campo magnético o mais homogêneo possível. Tente fazer coisas ainda mais complicadas e você verá que também precisa de campos magnéticos homogêneos em todos os planos.

O melhor que poderíamos conseguir fazer hoje seria conhecido como arranjo Halbach, um modo de disposição dos ímãs permanentes que cria um campo magnético muito forte e concentrado de um lado, ao mesmo tempo minimizando ou até anulando o campo magnético do lado oposto. Só tem um problema: Klaus Halbach (1925-2000) tornou seu arranjo verdadeiramente ótimo apenas para ímãs infinitamente longos e, portanto, irrealizáveis - só podemos nos aproximar do seu "ótimo", nunca alcançá-lo.

Mas já temos uma solução melhor, graças ao trabalho de Ingo Rehberg (Universidade de Bayreut) e Peter Blumler (Universidade Johannes Gutenberg de Mainz).

A dupla criou e validou experimentalmente uma abordagem inovadora para gerar campos magnéticos homogêneos usando ímãs permanentes, superando o arranjo clássico de Halbach ao gerar campos magnéticos de intensidades mais forte e melhor homogeneidade em configurações compactas e de tamanho finito - ou seja, práticas.

Foto de todos os modelos construídos.
[Imagem: Rehberg/Blümler - 10.1103/9nnk-jytn]

Arranjos de campos magnéticos

Rehberg e Blumler desenvolveram arranjos tridimensionais ótimos de ímãs muito compactos partindo de dipolos pontuais - em vez de linhas, como normalmente se faz. Como o objetivo são as aplicações práticas, eles investigaram, entre outras coisas, a orientação ótima dos ímãs para duas geometrias relevantes para o uso prático: Um anel simples e um anel duplo empilhado.

Um outro arranjo, que eles chamaram de "focalizado", permitiu ainda a geração de campos homogêneos fora do plano do ímã - por exemplo, em um objeto posicionado acima dos ímãs.

Para validar experimentalmente seus projetos, a dupla construiu matrizes magnéticas a partir de 16 ímãs cúbicos de ferro-boro-neodímio (FeNdB) montados em suportes impressos em 3D. Os campos magnéticos resultantes foram medidos e comparados com as previsões teóricas, revelando uma excelente concordância com os modelos.

Em termos de intensidade e homogeneidade do campo magnético, as novas configurações superam claramente o arranjo clássico de Halbach, bem como suas modificações descritas na literatura.

Os novos arranjos de ímãs permanentes comuns poderão substituir os poderosos ímãs supercondutores.
[Imagem: Rehberg/Blümler - 10.1103/9nnk-jytn]

Múltiplas aplicações

Os novos arranjos de ímãs são adequados para quaisquer aplicações que exijam campos magnéticos fortes e homogêneos - e há inúmeros casos assim.

Por exemplo, nas máquinas de ressonância magnética, ímãs supercondutores são usados para polarizar núcleos de hidrogênio nos tecidos do corpo humano. Esses núcleos são então excitados por ondas de rádio, gerando tensões mensuráveis por detectores ao redor do corpo. Algoritmos usam esses sinais para calcular imagens transversais detalhadas que permitem distinguir os tipos de tecido com base em propriedades como densidade, teor de água ou gordura e difusão.

No entanto, ímãs supercondutores são tecnicamente complexos e extremamente caros, limitando o uso dessa tecnologia tão útil. É aí que entra este trabalho, apresentando métodos alternativos para gerar campos magnéticos homogêneos usando ímãs permanentes comuns.

Outras áreas potenciais de aplicação, diz a dupla, incluem os aceleradores de partículas e os sistemas de levitação magnética.

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