CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA: ORIGEM, CARACTERÍSTICAS, FUNÇÃO - FISICA - 2024

O campo magnético da Terra é o efeito magnético que a Terra exerce e que se estende de seu interior a centenas de quilômetros no espaço. É muito semelhante ao produzido por uma barra magnética. Essa ideia foi sugerida pelo cientista inglês William Gilbert no século 17, que também observou que não é possível separar os pólos do ímã.

A Figura 1 mostra as linhas do campo magnético da Terra. Estão sempre fechadas, passam pelo interior e continuam pelo exterior, formando uma espécie de cobertura.

Figura 1. O campo magnético da Terra se assemelha ao de uma barra magnética. Fonte: Wikimedia Commons.

A origem do campo magnético da Terra ainda é um mistério. O núcleo externo da terra, feito de ferro fundido, não pode por si só produzir o campo, pois a temperatura é tal que destrói a ordem magnética. O limite de temperatura para isso é conhecido como temperatura de Curie. Portanto, é impossível que uma grande massa de material magnetizado seja responsável pelo campo.

Descartada essa hipótese, devemos buscar a origem do campo em outro fenômeno: a rotação da Terra. Isso faz com que o núcleo fundido gire de maneira não uniforme, criando o efeito dínamo, no qual um fluido gera espontaneamente um campo magnético.

Acredita-se que o efeito dínamo seja a causa do magnetismo de objetos astronômicos, por exemplo o do Sol. Mas até agora não se sabe por que um fluido é capaz de se comportar dessa maneira e como as correntes elétricas produzidas conseguem se manter.

Caracteristicas

- O campo magnético terrestre é o resultado de três contribuições: o próprio campo interno, o campo magnético externo e o dos minerais magnéticos da crosta:

1. Campo interno: assemelha-se ao de um dipolo magnético (ímã) localizado no centro da Terra e sua contribuição é de cerca de 90%. Varia muito lentamente no tempo.
2. Campo externo: provém da atividade solar nas camadas da atmosfera. Não se parece com o dipolo e tem muitas variações: diárias, anuais, tempestades magnéticas e muito mais.
3. As rochas magnéticas na crosta terrestre, que também criam seu próprio campo.

- O campo magnético é polarizado, apresentando os pólos norte e sul, como uma barra magnética.

- Como os pólos opostos se atraem, a agulha da bússola, que é seu pólo norte, sempre aponta para as vizinhanças do norte geográfico, onde está o pólo sul do ímã terrestre.

- A direção do campo magnético é representada na forma de linhas fechadas que saem do sul magnético (pólo norte do ímã) e entram no norte magnético (pólo sul do ímã).

- No norte magnético - e também no sul magnético -, o campo é perpendicular à superfície da Terra, enquanto no equador, o campo é pastoso. (veja a figura 1)

- A intensidade do campo é muito maior nos pólos do que no equador.

- O eixo do dipolo terrestre (figura 1) e o eixo de rotação não estão alinhados. Existe um deslocamento de 11,2º entre eles.

Elementos geomagnéticos

Como o campo magnético é vetorial, um sistema de coordenadas cartesianas XYZ com origem O ajuda a estabelecer sua posição.

Figura 2. Elementos geomagnéticos. Fonte: F. Zapata.

A intensidade total do campo magnético ou indução é B e suas projeções ou componentes são: H horizontalmente e Z verticalmente. Eles são relacionados por:

-D, o ângulo de declinação magnética, formado entre H e o norte geográfico (eixo X), positivo para o leste e negativo para o oeste.

-I, o ângulo de inclinação magnética, entre B e H, positivo se B estiver abaixo da horizontal.

A agulha da bússola será orientada na direção de H, o componente horizontal do campo. O plano determinado por B e H é denominado meridiano magnético, enquanto o ZX é o meridiano geográfico.

O vetor de campo magnético é totalmente especificado se três das seguintes grandezas forem conhecidas, chamadas de elementos geomagnéticos: B, H, D, I, X, Y, Z.

Função

Aqui estão algumas das funções mais importantes do campo magnético da Terra:

-Os humanos têm usado para se orientar pela bússola por centenas de anos.

-Exerce uma função protetora do planeta, envolvendo-o e desviando as partículas carregadas que o Sol emite continuamente.

-Embora o campo magnético da Terra (30 - 60 micro Tesla) seja fraco em comparação com os do laboratório, é forte o suficiente para que certos animais o utilizem para se orientar. O mesmo ocorre com as aves migratórias, os pombos-correio, as baleias e alguns cardumes de peixes.

-Magnetometria ou medição do campo magnético é usada para a prospecção de recursos minerais.

Luzes do norte e sul

Eles são conhecidos como luzes do norte ou sul, respectivamente. Eles aparecem em latitudes próximas aos pólos, onde o campo magnético é quase perpendicular à superfície da Terra e muito mais intenso do que no equador.

Figura 3. Luzes do norte no Alasca. Fonte: Wikimedia Commons.

Eles têm sua origem na grande quantidade de partículas carregadas que o Sol envia continuamente. Aqueles que estão presos pelo campo geralmente derivam para os pólos devido à maior intensidade. Lá eles aproveitam para ionizar a atmosfera e no processo é emitida luz visível.

As luzes do norte são visíveis no Alasca, Canadá e norte da Europa, devido à proximidade do pólo magnético. Mas devido à migração deste, é possível que com o tempo eles se tornem mais visíveis para o norte da Rússia.

No entanto, este não parece ser o caso agora, já que as auroras não seguem exatamente o norte magnético errático.

Declinação magnética e navegação

Para a navegação, principalmente em viagens muito longas, é extremamente importante conhecer a declinação magnética, a fim de fazer as correções necessárias e encontrar o norte verdadeiro.

Isso é feito por meio de mapas que indicam as linhas de declinação igual (isogonal), uma vez que a declinação varia muito de acordo com a localização geográfica. Isso se deve ao fato de que o campo magnético experimenta variações locais continuamente.

Os grandes números pintados nas pistas são as direções em graus em relação ao norte magnético, dividido por 10 e arredondado.

Os caras do norte

Por mais confuso que possa parecer, existem vários tipos de norte, definidos por alguns critérios particulares. Assim, podemos encontrar:

O Norte Magnético é o ponto na Terra onde o campo magnético é perpendicular à superfície. Aí a bússola aponta, e aliás, não é antípoda (diametralmente oposto) com o sul magnético.

Norte geomagnético, é o local onde o eixo do dipolo magnético sobe para a superfície (ver figura 1). Como o campo magnético da Terra é um pouco mais complexo do que o campo dipolo, esse ponto não coincide exatamente com o norte magnético.

Ao norte geográfico, o eixo de rotação da Terra passa por lá.

Ao norte de Lambert ou da grade, é o ponto para onde convergem os meridianos dos mapas. Não coincide exatamente com o norte verdadeiro ou geográfico, uma vez que a superfície esférica da Terra é distorcida quando projetada em um plano.

Figura 4. Vários norte e suas localizações. Fonte: Wikimedia Commons. Cavit

Inversão do campo magnético

Há um fato intrigante: os pólos magnéticos podem mudar de posição no decorrer de alguns milhares de anos, e isso está acontecendo atualmente. Na verdade, sabe-se que já aconteceu 171 vezes antes, nos últimos 17 milhões de anos.

A evidência é encontrada em rochas emergindo de uma fenda no meio do Oceano Atlântico. À medida que sai, a rocha esfria e se solidifica, definindo a direção da magnetização da Terra no momento, que é conservada.

Mas até agora não há uma explicação satisfatória de por que isso acontece, nem existe a fonte de energia necessária para inverter o campo.

Como discutido anteriormente, o norte magnético está atualmente se movendo rapidamente em direção à Sibéria, e o sul também está se movendo, embora mais lentamente.

Alguns especialistas acreditam que é devido a um fluxo de alta velocidade de ferro líquido logo abaixo do Canadá que enfraquece o campo. Também pode ser o início de uma reversão magnética. O último que aconteceu foi há 700.000 anos.

Pode ser que o dínamo que dá origem ao magnetismo terrestre se desligue por algum tempo, seja espontaneamente ou por alguma intervenção externa, como a aproximação de um cometa, por exemplo, embora não haja evidência desta.

Quando o dínamo é reiniciado, os pólos magnéticos trocaram de lugar. Mas também pode acontecer que a inversão não seja completa, mas uma variação temporária do eixo do dipolo, que finalmente retornará à sua posição original.

Experimentar

É realizado com bobinas de Helmholtz: duas bobinas circulares idênticas e concêntricas, pelas quais passa a mesma intensidade de corrente. O campo magnético das bobinas interage com o da Terra, dando origem a um campo magnético resultante.

Figura 5. Experimente determinar o valor do campo magnético da Terra. Fonte: F. Zapata.

Um campo magnético aproximadamente uniforme é criado dentro das bobinas, cuja magnitude é:

-Eu é a intensidade da corrente

-μ _o é a permeabilidade magnética do vácuo

-R é o raio das bobinas

Processo

Com um compasso colocado no eixo axial da bobina, determinar a direcção do campo magnético terrestre B _T.

-Oriente o eixo das bobinas para ser perpendicular ao B _T. Assim, o campo B _H gerado como a corrente passa, será perpendicular ao B _T. Neste caso:

Figura 6. O campo resultante é o que a agulha da bússola marcará. Fonte: F. Zapata.

-B _H é proporcional à corrente que passa pelas bobinas, de forma que B _H = kI, onde k é uma constante que depende da geometria das ditas bobinas: raio e número de voltas. Uma corrente de medição, pode ter o valor de B _H. De modo que:

Portanto:

-Várias correntes passam pelas bobinas e os pares (I, tg θ) são registrados em uma tabela.

-O gráfico I vs. tg θ. Como a dependência é linear, esperamos obter uma reta, cuja inclinação m é:

-Por último, a partir da recta - linha de ajuste de mínimos quadrados ou adaptação visual, procede-se para determinar o valor de B _T.

Referências

1. Campo Magnético Terrestre. Recuperado de: web.ua.es
2. Grupo Magneto-hidrodinâmico da Universidade de Navarra. Efeito Dínamo: história. Recuperado de: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Physics: A Look at the World. 6ª edição resumida. Cengage Learning.
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5. National Geographic. O pólo norte magnético da Terra está se movendo. Recuperado de: ngenespanol.com.
6. Americano científico. A Terra tem mais de um Pólo Norte. Recuperado de: scientificamerican.com.
7. Wikipedia. Pólo geomagnético. Recuperado de: en.wikipedia.org.