O Eletromagnetismo

Em nossas publicações constantemente vamos nos referir a campos magnéticos e eletromagnetismos. Esta breve introdução vai dar um noção dos conceitos que envolvem essa propriedade.
Em 1820, um cientista dinamarquês chamado Hans Oersted descobriu que uma agulha magnética podia ser desviada de sua posição de repouso, se um fio com corrente elétrica fosse colocado perto da bússola. Esta deflexão da bússola só ocorreu quando a corrente  fluía pelo fio de metal. Quando a corrente era interrompido, a agulha da bússola voltava à sua posição de repouso.
Conclusão de Oersted: Todo condutor percorrido por corrente elétrica, cria em torno de si um campo eletromagnético (figura abaixo).

O termo eletromagnetismo é definido como a produção de um campo magnético por um fluxo de corrente no condutor. Nós precisamos entender o eletromagnetismo com maior detalhe para entender como ele pode ser usado para realizar trabalho.

Enrolando um condutor de corrente (fio de cobre encapado) em torno de um material de núcleo metálico este pode ser facilmente magnetizado, formando um eletroímã. O campo magnético será concentrada no núcleo. Este arranjo é chamado um solenoide. Quanto mais voltas do fio de cobre envolvendo esse núcleo, mais forte serão eletroímã e mais forte as linhas de foça magnéticas.
Todo eletroímã ou até um simples condutor de eletricidade produz um campo eletromagnético quando ligados a uma fonte de energia elétrica.

Mas primeiro vamos entender o que é um campo magnético:
O magnetismo é a expressão de uma forma de energia, normalmente associada a forças de atração e de repulsão entre alguns tipos de materiais, chamados de Ímãs. Os ímãs naturais encontrados na natureza, são chamados de Magnetita (figura abaixo), são compostos por Óxido de Ferro (Fe3O4).

Os ímãs artificiais são materiais geralmente compostos de metais e ligas cerâmicas aos quais se transmitem as propriedades magnéticas podendo ser temporários ou permanentes. Os temporários são fabricados com ferro doce (mais puro) e os permanentes com ligas de aço (Ferro e Carbono), geralmente contendo Níquel ou Cobalto.
A ciências  ainda não conhece totalmente a natureza das forças magnéticas de atração e repulsão, embora seja conhecida as leis que orientam suas ações e como utilizá-las. Nesses materiais magnéticos existe uma poriedade (força) chamada Campo Magnético.
Campo magnético é a região ao redor de um imã, na qual ocorre uma força magnética de atração ou repulsão. O campo magnético pode ser definido pela medida da força que o campo exerce sobre o movimento das partículas de carga, tal como um elétron.
A representação visual do campo magnético é feita através de linhas de forças, também conhecidas por linhas de indução magnética ou linhas de fluxo magnético, que são linhas  imaginárias fechadas que envolvem o material magnético, que saem do pólo norte e entram no pólo sul (figura abaixo).

Para medir a densidade de campo magnético, densidade de fluxo magnético ou campo magnético, é usada a unidade Tesla (T).

No mesmo ano que Oersted comprovou a existência de um campo magnético produzido pela corrente elétrica, o cientista francês André Marie Ampère, preocupou-se em descobrir as características desse campo. Nos anos seguintes, outros pesquisadores como Michael
Faraday, Karl Friedrich Gauss e James Clerk Maxwell continuaram investigando e desenvolveram muitos dos conceitos básicos do eletromagnetismo.
Assista ao vídeo…

Componente Bz

Gráfico do componente Bz em tempo real [Ver Aqui]

Os distúrbios no campo geomagnético são causados por flutuações no vento solar incidindo sobre a Terra. As perturbações podem ser limitadas às regiões de alta latitude (regiões polares), a menos que o campo magnético interplanetário (FMI) levado pelo vento solar tenha um longo período de várias horas (ou mais) do componente sul (Bz <0 maiores do que -10 a -15 nT) os distúrbios de campo magnético podem chegar à região equatorial.
O gráfico acima mostram o total do FMI ao longo do eixo z sul Bz em tempo real.

O Campo Magnético Interplanetário (FMI) é um campo vetorial cujas três dimensões são chamadas x, y, z. Seguindo este sistema de coordenadas, se o componente Bz do FMI é NEGATIVO, o FMI para o ponto Sul é poderoso o suficiente, e pode causar tempestade geomagnética. Resumindo: Vento solar com velocidades acima de 500Km/s e componente Bz sul negativo é um aviso de uma potencial tempestade geomagnética.
Nota: Quanto maior o valor negativo, maior será a tempestade magnética

A Magnetosfera da Terra

O campo magnético da terra ou magnetosfera é bem parecido com o campo magnético de um ímã, pois suas linhas de campo saem do norte magnético e chegam ao polo sul magnético do planeta. Basicamente, é bipolar (ou seja, ele tem dois pólos, que são o norte e sul, polos magnéticos).

Na década de 1830 o matemático e astrônomo alemão Carl Friedrich Gauss estudou o campo magnético da Terra e concluiu que o principal componente bipolar teve sua origem no interior da Terra, em vez de fora. Ele demonstrou que o componente bipolar era uma função decrescente inversamente proporcional ao quadrado do raio da Terra, uma conclusão que levou os cientistas a especular sobre a origem do campo magnético terrestre, em termos de ferromagnetismo (como em uma enorme barra magnética) Nota: ferromagnetismo e rotação são geralmente desacreditados devido ao ponto de Curie (a altas temperatura o ferromagnetismo é destruído) Os modelos geomagnéticos formam a base da bússolas tradicionais, baseados em sistemas de navegação. Estes modelos fornecem uma imagem do campo magnético da Terra e como ela varia de um ponto na superfície da Terra para outro. O modelo do campo geomagnético Internacional de Referência (IGRF), compilado a partir de medidas magnéticas recolhidos por observatórios em muitos países, bem como as leituras feitas a partir de navios, aviões e satélites.

O modelo, derivado por meio da análise matemática de uma vasta quantidade de dados, representa o campo magnético gerado no núcleo da Terra, com variações de pequena escala na superfície e os efeitos solares. O modelo geomagnético desempenha um papel vital em vários tipos de levantamentos magnéticos, como os utilizados em exploração mineral e no mapeamento de falhas tectônicas que causam terremoto. O campo magnético da Terra é gerado dentro do seu núcleo de ferro fundido através de uma combinação do movimento térmico, rotação diária da Terra, e as forças elétricas no interior do núcleo. Estes elementos formam um dínamo que sustenta um campo magnético que é semelhante ao de uma barra magnética ligeiramente inclinado para uma linha que une o Norte ao Sul. O campo magnético da terra é observado e estudado de várias maneiras. Os observatórios magnéticos e suas localizações são mostrados na figura abaixo.

Como podemos ver no mapa, a distribuição espacial dos observatórios é bastante irregular, com uma concentração na Europa e uma carência em outras partes do mundo, em particular nas áreas oceânicas. Os satélites que fornecem dados vetoriais valiosos para modelagem geomagnética de campo são o Magsat (1979 a 1980), o Orsted e CHAMP que foram lançados em 1999 e 2000, respectivamente. Essa breve introdução ao estudo do geomagnetismo é necessária para entender como esse fenômeno pode proteger a terra das tempestades solares e etc.. A variação diária regular o campo magnético da Terra também apresenta distúrbios irregulares, e quando estes são grandes eles são chamados de tempestades magnéticas.

Esses distúrbios são causados pela interação do vento solar, com o campo magnético da Terra. O vento solar é uma corrente de partículas carregadas continuamente emitidos pelo Sol e sua pressão sobre o campo magnético da Terra cria uma região delimitada em torno da Terra, chamada de magnetosfera. Quando há um distúrbio no vento solar os sistemas atuais existentes dentro da magnetosfera são potencializados e causam perturbações magnéticas e tempestades. A Figura abaixo mostra uma imagem esquemática do vento solar e a magnetosfera da Terra.

Nota: Os cientistas sabem agora que o campo magnético da Terra está diminuindo a uma taxa de cerca de 0,5% por década. Se esta tendência continuar, o campo magnético pode reverter, isto é, o Pólo Norte torna-se o Pólo Sul e vice-versa. Tais eventos podem ocorrer uma vez a cada 300.000 anos mais ou menos, com a reversão real levando milhares de anos para ser concluído. No entanto, não se sabe se um declínio da força do campo magnético terrestre é inevitável.

O Vento Solar

O Vento Solar foi inicialmente estudado para explicar as auroras (perturbação geomagnética), e a inclinação das caudas dos cometas, e foi observado pela primeira vez pela espaçonave Russa Luna 2 em 1959 e Explorer 10 em 1961. O vento solar é um gás coronal ejetado do Sol.
O plasma da coroa solar é tão quente que a gravidade do Sol não pode segurá-lo por muito tempo. Em vez disso, as franjas superiores fluem em todas as direções, em um fluxo constante de partículas conhecidas como Vento Solar. Movendo-se a cerca de 400 km/s em média, o vento solar pode atingir a Terra de 3 a 4 dias. O vento solar consiste em partículas ionizadas e campos magnéticos produzindo tempestades magnéticas na magnetosfera da Terra.

O Vento solar exerce uma pressão sobre o campo magnético terrestre comprimindo-o e criando uma longa cauda do lado oposto. Esta “capa” magnética e complexa é conhecido como Magnetosfera. Quando as partículas provenientes do Sol (elétrons e prótons) impactam a Magnetosfera, geram correntes elétricas e plasmas na camada mais exterior da atmosfera terrestre, a Ionosfera, provocando as Auroras Boreais e Austrais por excitação dos átomos de gás. O sol ejeta 1 milhão de toneladas de matéria para o espaço (Plasma) a cada segundo. Chamamos este material de vento solar.

O vento solar é um fluxo de partículas carregadas e energizadas, principalmente elétrons e prótons, que flui para fora do Sol, através do sistema solar. A temperatura e velocidade podem variar ao longo do tempo, podendo atingir 300 a 800 km/s, a uma temperatura de 1 milhão de graus (Celsius). O vento solar se estende para o espaço cerca de 100 UA (uma unidades astronômicas = distâncias Terra-Sol = 150.000.000Km), o que equivale a distância do Sol até a órbita de Netuno ou até Plutão, ponto em que colide com o meio interestelar. A região onde o vento solar é dominante é conhecido como heliosfera. O vento solar é feito de hidrogênio (95%), Hélio (4%), carbono, nitrogênio, oxigênio, néon, magnésio, silício e ferro ( 1%).

Estes átomos estão todos na forma de íons positivos, o que significa que perderam elétrons porque as temperaturas são muito elevadas. Alguns eventos explosivos como erupções solares e ejeção de massa coronal (CME) no Sol podem produzir velocidades superiores a 1000 km/s. Efeitos das tempestades solares: A aurora boreal (as luzes do norte) e aurora austral (as luzes do sul). Interferência em rádios e televisões. Perigo para astronautas e naves espaciais. Oscilações de correntes nas usinas de força, prejudicando o fornecimento de energia elétrica. Sistemas de navegação. Satélites dependendo da sua altitude, os componentes eletrônicos, as baterias solares podem ser danificadas. O clima espacial afeta os satélites em missões de diversas formas, dependendo da órbita e da função do satélite. Muitos sistemas de comunicação utilizam a ionosfera para refletir sinais de rádio a longas distâncias.
Tempestades ionosféricas podem afetar a comunicação por rádio em todas as latitudes.

O vento solar pode ser dividido em vento solar rápido e vento solar lento. O vento rápido são típicos dos buracos coronais, regiões mais frias e menos densas da coroa solar, podendo atingir picos de velocidade da ordem de 900 km/s. Estão associados a linhas de campo magnético “abertas”, muito parecido com pólos magnético, facilitando assim o escape das partículas carregadas.
O vento lento se origina em regiões de baixas latitudes, portanto mais próximas ao equador do Sol, atingindo velocidades aproximadas de de 300 km/s. Em geral o vento solar lento é mais denso e apresenta um comportamento mais irregular. Sendo o vento solar um plasma altamente condutor, ele transporta consigo as linhas de campo magnético do Sol. Esse fenômeno é conhecido como “congelamento” das linhas de campo magnético.

O que é Plasma ?
Lembrando: os estados da matéria – sólido, líquido e gasoso, mas em 1879 o físico Inglês William Crookes identificou um quarto estado da matéria, uma forma de gás ionizado. O Universo é composto de aproximadamente 99% de plasma. No meio interestelar o plasma é de baixa temperatura e baixa densidade, enquanto no interior das estrelas ele é extremamente quente e denso. A auroras boreais são um exemplo clássico de plasma de baixa temperatura e baixa densidade. O Plasma pode ser acelerado e dirigido por campos elétricos e magnéticos. O Sol, como todas as estrelas que emitem luz se encontram no quarto estado da matéria. Na ionosfera terrestre, temos o surgimento das auroras, que é um plasma natural, assim como o fogo. São sistemas compostos por um grande número de partículas carregadas, distribuídas dentro de um certo volume onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas. Um modo de criar um plasma é aquecendo um gás. Tal aquecimento pode-se realizar por meio de um campo elétrico externo aplicado ao gás. A parte externa da atmosfera da Terra (magnetosfera) é constituída pelo plasma, o meio intestelar, ou seja o espaço entre estrelas e planetas, também é constituído por gás ionizado, mesmo que de uma densidade muito baixa. Um exemplo de plasma cósmico é o vento solar.

Efeitos das tempestades solares
A aurora boreal(as luzes do norte) e aurora austral (as luzes do sul).
Interferência em rádios e televisões.
Perigo para astronautas e naves espaciais.
Oscilações de correntes nas usinas de força, prejudicando o fornecimento de energia elétrica.
Sistemas de navegação
Satélites dependendo da sua altitude, os componentes eletrônicos, as baterias solares podem ser danificados. O clima espacial afeta os satélites em missões de diversas formas, dependendo da órbita e da função do satélite.
Muitos sistemas de comunicação utilizam a ionosfera para refletir sinais de rádio a longas distâncias.
Tempestades ionosféricas podem afetar a comunicação por rádio em todas as latitudes.

Anomalia do Atlântico Sul

Inversão geomagnética é a mudança de orientação do campo magnético da Terra de forma que o norte e o sul magnéticos são invertidos. Estes eventos trazem um  declínio prolongado da intensidade do campo magnético seguido por uma recuperação rápida após o estabelecimento da nova orientação. Estes eventos ocorrem a uma escala de dezenas de milhares de anos, tendo a mais recente  inversão  ocorrido há 780 000 anos.
Os polos magnéticos da Terra não se afastam mais do que 20° dos polos geográficos, mas de tempos em tempos eles se afastam muito mais podendo os polos norte e sul trocar de posição um como outro.
Esse processo é chamado de “reversão geomagnética”. A ultima inversão aconteceu a cerca de 780 mil anos . Alguns minerais como a magnetita e a hematita que compõe as rochas da crosta terrestre podem se comportar como imãs permanentes. Quando esses minerais se formam, são magnetizados pelo campo magnético da Terra e podem guardar essa magnetização por milhões de anos, mesmo que o campo mude de orientação ou de polaridade a direção de magnetização daqueles minerais permanecem a  mesma.
Desse modo podemos estudar o campo magnético do passado através do magnetismo antigo das rochas. Esse estudo é chamado de Paleomagnetismo [Ver aqui]

“Os pólos magnéticos da Terra passam por inversões, de vez em quando, o que é norte vira sul, e vice-versa"
Marcelo Gleiser é professor de física teórica do Dartmouth College, em Hanover (EUA), e autor do livro “O Fim da Terra e do Céu”. Artigo publicado na “Folha de SP”:
Em suas notas autobiográficas, Einstein conta como ele ganhou uma bússola de presente de seu pai quando tinha cinco anos: “Ainda me lembro ou acredito que me lembro que essa experiência causou um profundo efeito sobre mim. Algo de fundamental tinha de estar escondido por trás das coisas”.

A bússola de Einstein, como qualquer outra, apontava para o norte, independentemente de onde estivesse: o metal da agulha tende a se alinhar com o campo magnético da Terra, que corre na direção norte-sul. Essa observação, tão óbvia quanto a volta do Sol a cada dia, que marinheiros e pássaros usam para se orientar em suas viagens, não tem nada de trivial.
O fato de a Terra ser um gigantesco ímã se deve a uma confluência de fatores, que só agora começam a ser entendidos. Dentre as descobertas relativamente recentes, a mais chocante é a de que os pólos magnéticos da Terra -quase alinhados com seus pólos geográficos (daí a utilidade da bússola)- passam por inversões: de vez em quando, o que é norte vira sul, e vice-versa. A questão é quando será a próxima.
A última inversão de polaridade ocorreu há 780 mil anos, bem mais tempo do que a média de 250 mil anos. Por alguma razão, os intervalos entre elas vêm encolhendo nos últimos 120 milhões de anos. Sabemos disso porque cada inversão deixa uma assinatura nas rochas magnéticas, suscetíveis a mudanças de orientação do magnetismo terrestre quando aquecidas.
Ao resfriarem, mantêm a nova orientação, reproduzindo no tempo a coreografia dos pólos magnéticos. Portanto, a próxima inversão está bem atrasada. Vivemos num período de relativa estabilidade que não durará para sempre. E os primeiros sinais estão já aparecendo.
Dados colhidos por satélites em 1980 e em 1999 mostram que ilhas de polaridade oposta no campo magnético terrestre estão crescendo. Imagine uma bola de futebol com o hemisfério sul pintado de azul e o norte de vermelho.
As medidas indicam que dentro da região vermelha existem manchas azuis, e vice-versa, e que essas manchas aumentaram nos últimos 20 anos. A suspeita é que elas sejam os precursores da próxima inversão. O campo magnético terrestre se reduziu em 10% desde 1830.
O centro da Terra é uma esfera de metal líquido, principalmente ferro, com volume seis vezes maior que o da Lua inteira. Devido à enorme pressão exercida pela crosta e pelo manto, 2 milhões de vezes maior no centro do que na superfície, a temperatura lá chega a 5.000 C, comparável à superfície do Sol.
Como em uma sopa, bolhas de metal mais quente e, portanto, menos denso, tendem a subir. Na subida, elas se resfriam e voltam a afundar. Esse processo, chamado de convecção, transporta calor do centro da Terra para a região entre o centro e o manto. O metal líquido conduz eletricidade.
Quando adicionamos a rotação da Terra, temos uma esfera de metal líquido e borbulhante girando, essencialmente um gerador elétrico, ou dínamo. Em geradores comuns, o que gira são fios metálicos que transportam corrente. Desse movimento nasce um campo magnético que varia ao longo do tempo. A Terra é um gigantesco dínamo.
Sua corrente muda ocasionalmente de direção, invertendo a polaridade de seu campo magnético.”Fonte: www.jornaldaciencia.org.br  Jornal da ciência – Órgão da Sociedade Brasileira para  o Progresso da Ciência (SBPC)

ANOMALIA DO ATLÂNTICO SUL
Existe um fenômeno conhecido com “anomalia do atlântico sul” e que esta localizada bem aqui no Brasil, seu centro atual esta em torno de Santa Catarina, mas essa anomalia se estende por uma área muito vasta, como mostra a figura.
Anomalia geomagnética
A origem da anomalia está no mesmo local de formação do campo magnético terrestre e é formada pela existência de pólos enfraquecidos no sistema líquido caótico de compreensão ainda distante de ser desvendada, mas que seque a lógica da variação secular que de acordo com observações e dados, todo o sistema geomagnético terrestre está derivando para oeste devido a diferença de velocidade entre o Manto e o Núcleo Externo da Terra. Então esta  tem dinâmica temporal geológica que chega a ordem de 1000 anos.

Há um vasto histórico de interferências e panes causadas por tempestades solares. Satélites mesmo com todas as proteções que lhe é projetado, a alguns poucos anos atrás foram atingidos. Normalmente os satélites são freados em sua órbita quando passam pela Anomalia do Atlântico Sul porque existe uma forte densidade de partículas energéticas na região e altitude que se encontra a anomalia. O telescópio Hublle quando tem a órbita passando pela região da anomalia, ele gasta 15 % do seu tempo de órbita para atravessar. Leia mais aqui…
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O que é Paleomagnetismo ?

Paleomagnetismo é o estudo das propriedades magnéticas das rochas. O paleomagnetismo ajuda na nossa compreensão das placas tectônicas, mineralogia, petrogênese, geocronologia, e a história do campo magnético da Terra.
Alguns minerais magnéticos comuns em rochas ígneas, como a magnetita, irá “adquirir” o campo magnético de seu entorno quando a rocha esfria. Em temperaturas muito altas, os minerais magnéticos são altamente suscetíveis ao campo magnético a seu redor.

Aqui algumas das característica físicas e químicas da Magnetita:
Fórmula Química – Fe3O4
Composição – Óxido de Ferro. 31,0% de FeO, 69,0% de Fe2O3
Cristalografia – Isométrico
Classe – Hexaoctaédrica
Propriedades Ópticas – Isotrópico, cinza comumente com matiz marrom.
Hábito – Octaédrico, dodecaédrico, cúbico, maciço, granular
Clivagem – Indistinta
Dureza – 5,5 – 6
Densidade relativa – 5,1
Fratura – Subconchoídal a ausente
Partição – Octaédrica
Brilho – Lustroso, metálico a submetálico
Cor – Preto-metálico

Curiosamente, a magnetita também pode ser encontrada em locais não muito comuns. É possível encontrá-la em bactérias (magnetospirillum, magnetotacticum) e em cérebros de abelhas, de cupins, de alguns pássaros e até mesmo em cérebros humanos(apenas traços). Acredita-se que os cristais de magnetitas estão envolvidos na magneto recepção, no senso de polaridade ou inclinação do campo magnético da Terra, que é exatamente o tema que estamos abordando.

Quando o mineral magnético esfria através do seu “ponto de Curie” (que varia de mineral para mineral), o campo magnético circundante torna-se “congelado”, e o mineral magnético é magnetizado de acordo com o campo ao redor no momento em que resfriado abaixo do ponto de Curie.

O que é ponto Curie ? 
Também chamado de temperatura Curie, é a temperatura na qual certos materiais magnéticos sofrem uma mudança brusca em suas propriedades magnéticas, isto é, temperatura acima da qual um mineral magnético perde o seu magnetismo. No caso de rochas e minerais o magnetismo remanescente aparece abaixo do ponto de Curie (570°C ou 1060°F), para a magnetita. Esta temperatura foi verificada pelo físico francês Pierre Curie, que em 1895 descobriu as leis que se relacionam com algumas propriedades magnéticas à mudança de temperatura.
Desse modo as propriedades do campo geométrico é “fossilizada” em rochas acompanhando a posição dos continentes e oceanos no passado, e assim, estudar a história e a dinâmica do movimento global e das placas do Pré-Cambriano até o presente.
Estes dados permitem um modelo em escala global do impacto das placas tectônicas em climas antigos. Métodos específicos aplicados ao magnetismo ambiental dos depósitos sedimentares, e por outro lado permitem reconstruir o paleoclima e paleoambiente em uma escala mais regional.

Periodicamente, o campo geomagnético muda sua “polaridade”,ou seja, houve momentos no passado em que o norte magnético de uma bússola apontaria na direção da posição atual da Antártida. As causas exatas da polaridade geomagnética “reversões” não são bem compreendidos, no entanto a sua presença tem ajudado muito no estudo do geomagnetismo terrestre.
Resumindo, este estudo mostra que algumas rochas registavam o campo magnético terrestre na sua formação, e conservando-o durante centenas de milhões de anos. Mostrou, ainda, que muitas dessas rochas apresentavam o registo de um campo magnético com polaridade diferente da atual, evidenciando que o campo magnético terrestre tinha sofrido, com frequência, inversões na sua polaridade (inversão magnética).
Assista ao vídeo, é bem interessante.