As Auroras e o Sinturão de Van Allen

Em função das velocidades e ângulos de incidência, principalmente nas proximidades dos polos, algumas partículas presentes em ventos solares e raios cósmicos conseguem atravessar as linhas de campo da magnetosfera. Esse fato provoca a ocorrência das ‘auroras’ e dos ‘cinturões de Van Allen’.

Aurora’ é um fenômeno luminoso e colorido, mais comum nos equinócios (de março a abril e de setembro a outubro), chamado de ‘Boreal’ quando ocorre no hemisfério norte e de ‘Austral’ quando ocorre no hemisfério sul. Esse fenômeno pode ser visualizado na Figura 01. Os ‘cinturões de Van Allen’ são duas camadas cumulativas de partículas que permanecem presas ao campo magnético terrestre após a ocorrência das auroras, representando uma consequência das mesmas'.

Os ventos solares e radiações cósmicas podem ser interpretados como “chuvas” de partículas (fótons) ou ondas eletromagnéticas. Nesse sentido, as auroras podem ser explicadas a partir do espectro eletromagnético e do espalhamento Compton.

As Auroras

Ondas eletromagnéticas incluem a luz, as ondas de rádio, os raios x e outras radiações. Essas ondas diferem entre si pelo comprimento de onda λ e pela frequência f, estando ambos relacionados pela velocidade da luz c, conforme a expressão descrita:

c = λf

A visão humana é sensível à radiação com comprimento de onda entre 400 e 700nm, intervalo esse conhecido como visível e compreendido entre a luz violeta e a luz vermelha. Comprimentos de onda inferiores a 400nm correspondem à radiação ultravioleta e comprimentos superiores a 700nm correspondem à radiação infravermelha. Essas características podem ser observadas no espectro eletromagnético representado na Figura

Espectro Eletromagnético

  

 Segundo o espalhamento Compton, a colisão entre um fóton incidente e um elétron faz com que esse elétron absorva parte da energia e o fóton seja espalhado com menor energia e maior comprimento de onda. O aumento do comprimento de onda explica a visualização de luzes coloridas formando as auroras. Os elétrons energizados no processo ficam presos ao campo magnético terrestre, dando origem aos cinturões de Van Allen.

 

 

Efeito Compton

O Campo Magnético Terrestre

Historicamente, ainda vale ressaltar que Michael Faraday (1791-1867) propôs o método utilizado atualmente para a representação das linhas de campo ao redor de um ímã, desenvolvendo a noção de que o espaço é modificado por um material magnético. O professor Hans Christian Oersted também merece destaque. Em 1820, demonstrou experimentalmente a produção de um campo magnético a partir de uma corrente elétrica, relação essa, quantificada por André-Marie Ampère (1775-1836).

O campo magnético terrestre é produzido por correntes elétricas cuja origem é indefinida, possui enfraquecimentos como a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS) e polos que se deslocam e podem se inverter ao longo do tempo. Além disso, constitui uma barreira protetora contra partículas carregadas vindas do espaço, fato que gera muita discussão e curiosidade, principalmente em relação às auroras boreal e austral, as quais são causadas por partículas que conseguem atravessar o campo nas proximidades dos polos.

ORIGEM DO CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE

Em uma hipótese preliminar, acredita-se que o campo é resultado da magnetização natural de alguns materiais presentes na estrutura geológica do planeta.

 

Nesse sentido, sabe-se que a Terra tem um formato aproximado de uma esfera com raio médio de 6.378 km. A partir do ponto central, o núcleo interno possui algo em torno de 1.228 km de raio e o núcleo externo se estende desse ponto até 3.488 km de raio, totalizando mais de 54% do diâmetro do planeta. Além disso, o núcleo como um todo contém 32% da massa terrestre. Entre o núcleo externo e o manto existe uma camada de transição com uma espessura de 190 km. Nela ocorrem movimentos provocados por convecção, pois existe uma constante troca de calor. O manto se estende de 3.678 km até 6.338 km de raio, chegando a conter mais de 67% da massa terrestre. Os 40 km restantes representam a espessura da crosta terrestre. O núcleo é composto por 80% de ferro e 19% de níquel. A porção interna é essencialmente rígida e a porção externa é líquida e extremamente condutora de eletricidade. O manto é rico em silício, oxigênio e magnésio. Essa estrutura é mostrada na Figura 01 [Correa, 2007].

A Terra possui temperaturas internas muito elevadas, A partir de uma temperatura conhecida como ‘ponto Curie’, todos os materiais ferromagnéticos sofrem um processo de ‘desmagnetização térmica’, tornando-se paramagnéticos. Os valores do ponto Curie para os principais materiais ferromagnéticos são apresentados pela Tabela 01.

Para o ferro, o ponto Curie é atingido em torno dos 25 km de profundidade. Desse modo, a magnetização natural só é possível em uma fina camada da crosta terrestre. Amostras de superfície e amostras profundas (retiradas na perfuração de poços) indicam que, mesmo se a crosta terrestre for tomada como um todo, não existe material naturalmente magnetizado suficiente para produzir o campo magnético terrestre [Barnes, 2010].

Atualmente, é consenso entre os cientistas uma hipótese onde se acredita que o campo é produzido por enormes correntes elétricas que circulam no interior do planeta. Essas correntes são produzidas pelo movimento de partículas carregadas existentes no núcleo externo (porção líquida). Esse movimento é facilitado pela alta condutividade do local.

BARREIRA DE PROTEÇÃO

Como se pode observar na Figura 03, além do sentido oposto em relação aos polos geográficos, os polos magnéticos se apresentam bem afastados destes atualmente. Por exemplo, o polo (sul) magnético se encontra a cerca de 1.800 km do polo norte geográfico. Essa discrepância é conhecida como declinação magnética, e está representada na Figura 03.

A análise de extratos rochosos evidencia modificações ao longo das eras geológicas, demonstrando que o sentido do campo não é estável. Os átomos de ferro fundido expelidos em erupções vulcânicas são desorientados em virtude da agitação térmica, mas uma grande quantidade desses átomos se alinha com o campo magnético terrestre durante o resfriamento e solidificação do material, deixando esse alinhamento registrado na rocha ígnea resultante. Quando extratos de rochas provenientes de diferentes eras geológicas são comparados, torna-se possível determinar o campo em diferentes períodos. As evidências encontradas demonstram que em certos períodos o campo teve sua intensidade reduzida até se anular, sofrendo a seguir uma inversão de sentido e, consequentemente, uma troca de posição entre os polos. Mais de vinte inversões ocorreram ao longo dos últimos 5.000.000 de anos. A mais recente aconteceu há cerca de 700.000 anos [Hewitt, 2011].

Estudos realizados em sedimentos extraídos do fundo do mar indicam que o campo permaneceu desligado aproximadamente entre 10.000 e 20.000 anos, há cerca de 1.000.000 de anos. A próxima inversão é imprevisível, pois a sequência de ocorrências não é regular. Entretanto, medições mais recentes revelam uma redução da intensidade do campo, em torno de 5%, nos últimos 100 anos. Se essa variação for mantida, outra inversão pode ocorrer nos próximos 2000 anos [Hewitt, 2011].

Fig. 4 Anomalia magnética do atlântico sul.

A suspeita de uma nova inversão em andamento é reforçada pela existência de uma região no campo onde ocorre uma redução significativa de intensidade, conforme mostrado na Figura 05. Localizada principalmente sobre o Brasil, essa região é conhecida como Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS).

A região demarcada na figura tem incidência de um grande número de radiação. Tal anomalia pode afetar satélites e outros instrumentos, o Telescópio Hubble não realiza nenhuma observação quando esta passando pela região. 

Além dos ventos solares, a magnetosfera também protege o planeta de raios cósmicos, cuja

Fig. 5 Ação da Magnetosfera sobre o vento solar.

descoberta é atribuída a Victor Hess que, por meio de experimentos com balões, notou que o fluxo de radiação ionizante, até então associada à radioatividade ambiente do solo, se intensificava com o aumento da altitude. Isso o levou a conclusão de que provavelmente a fonte desta radiação teria origem fora da Terra [Oliveira, 2014]. Os raios cósmicos são constituídos essencialmente de prótons e outros núcleos. Os prótons podem ser oriundos do ‘Big Bang’ e os núcleos mais pesados de estrelas que explodiram [Hewitt, 2011].

 

Fonte: http://www.ufjf.br/fisicaecidadania/aprendendo-e-ensinando/faca-voce-mesmo/magnetismo-terrestre-um-laboratorio-natural/

Exercício Resolvido (Geradores Elétricos)

Um gerador de fem ε= 9,0 V e resistência interna r=1,0 Ω está em funcionamento e a intensidade de corrente elétrica que o atravessa é 2,0 A. Nessas condições, determine a ddp nos extremos do gerador;

Resolução:

 primeiramente, identificamos as grandezas Físicas que estão relacionadas.

 ε= 9,0 V

 r=1,0 Ω

 i=  2,0 A.

Utilizamos a Equação do gerador para encontrar a ddp:

U = ε - r.i 

substituindo os valores das grandezas mensuradas:

U = 9 - 1.2 = 7 V

Então U=7 V.

Geradores Elétricos

Todos os equipamentos elétricos, como lâmpadas, aquecedores, computador, geladeira, televisão, entre outros, necessitam de uma fonte de energia para o seu funcionamento. Essa fonte de energia é chamada de gerador elétrico.

Em um gerador elétrico, uma forma qualquer de energia, menos a elétrica, é transformada, em parte, em energia elétrica e o restante é dissipada, conforme mostra o esquema.

 

 Conforme o tipo de energia não elétrica a ser transformada em elétrica,podemos classificar os geradores em:

• mecânicos (usinas hidrelétricas)

• térmicos (usinas térmicas)

• nucleares (usinas nucleares)

• químicos (pilhas e baterias)

• fotovoltaicos (bateria solar)

• eólicos (energia dos ventos)

FORÇA ELETROMOTRIZ E RESISTÊNCIA INTERNA r.

A força Eletromotriz de um gerador é a ddp medida em seus terminais quando ele não está sendo percorrida por uma corrente elétrica. Por essa razão, também pode ser chamada de tensão em vazio. Sua unidade no S.I, é o Volt (V). Quando um gerador elétrico, como uma pilha comum, é colocado em funcionamento, os portadores de carga elétrica, ao atravessarem a pilha, ganham energia potencial elétrica. A quantidade de energia potencial elétrica total por unidade de carga elétrica que uma pilha (gerador) consegue produzir é denominada força eletromotriz (ε) do gerador:

No Sistema Internacional, a unidade da força eletromotriz (fem) é joule/coulomb = volt (V).

 Quando um gerador está ligado num circuito, as cargas elétricas que o atravessam deslocam-se para o polo (terminal) onde chegarão com maior energia elétrica do que possuíam no polo (terminal) de entrada. Acontece que, durante essa travessia, as cargas “chocam-se” com partículas existentes no gerador, perdendo parte dessa energia sob a forma de calor, por efeito Joule, como num resistor. A essa resistência à passagem das cargas pelo gerador damos o nome de “resistência interna (r)” do gerador. Na figura seguinte, temos a representação esquemática de um gerador elétrico de força eletromotriz ε e resistência interna r, quando em funcionamento, ou seja, percorrido por uma corrente elétrica i.

 

Observe que (+) e (–) representam os polos positivo e negativo do gerador e que, internamente ao gerador, a corrente elétrica e vai do polo negativo para o polo positivo.

EQUAÇÃO DE UM GERADOR 

Na figura anterior, está subentendido que um bipolo elétrico qualquer está ligado aos terminais A e B do gerador, pois há uma corrente elétrica estabelecida no circuito. Na figura seguinte, temos o esquema completo do circuito, supondo que o bipolo seja representado por um resistor.

Observe que, externamente ao gerador, a corrente elétrica vai do polo positivo para o polo negativo. Em termos de energia, a energia elétrica útil que o gerador consegue fornecer para o circuito constituído pelo bipolo ao qual ele é ligado é dada pela diferença entre a energia elétrica total e a energia dissipada,

ou seja:

                         

 Lembrando que a potência representa a quantidade de energia por unidade de tempo

CURVA CARACTERÍSTICA DE UM GERADOR

 

Observe no gráfico que:

•  o ponto A, no qual U =ε, corresponde ao gerador em circuito aberto, ou seja, i = 0;
• o ponto B, no qual U = 0, corresponde ao gerador em curto-circuito, ou seja, os polos do gerador são ligados externamente por um fio sem resistência, conforme mostra a figura

 

• A intensidade de corrente elétrica de curto-circuito é dada por:

RENDIMENTO DE UM GERADOR

 

em que 0<ƞ< 1 Em porcentagem, fica: ƞ% = ƞ. 100%.