7º Aula Prática

Trabalho Prático
Determinação do Campo Magnético da Terra
Objetivos
Aprender a medir a componente do campo magnético terrestre e obter este valor para a
cidade onde se realiza a experiência.
Introdução
Magnetismo Terrestre
O fenômeno do magnetismo terrestre resulta do fato de que a Terra, como um todo,
comporta-se como um imã gigante. O físico e naturalista inglês William Gilbert foi o primeiro
a demonstrar essa semelhança por volta de 1600. Contudo muito antes disso a bússola já
era utilizada.
Os pólos magnéticos da Terra não correspondem aos pólos geográficos. Atualmente o pólo
norte magnético esta localizado na costa oeste da ilha Bathurst, em território canadense,
cerca de 1290 Km da Baía de Hudson. O pólo sul magnético situa-se no continente
Antártico, na Terra de Adélia. A posição dos pólos magnéticos não é constante, e tem
variado de forma apreciável ano após ano.
Teoria Dínamo
Medidas precisas da variação da posição dos pólos magnéticos mostram que o campo
magnético dirige-se para oeste numa taxa de 19 a 24 quilômetros por ano. Claramente o
magnetismo da Terra é resultado de uma condição dinâmica, e não de uma situação
passiva, que ocorreria se o núcleo de ferro da Terra fosse sólido e magnetizado
passivamente. O ferro não retém magnetismo permanentemente acima de 540 ºC, e a
temperatura no centro da Terra pode ser maior que 6650 ºC. A teoria Dínamo sugere que o
núcleo de ferro é liquido (exceto muito próximo ao centro da Terra, onde a pressão solidifica
o núcleo). A teoria Dínamo sugere que as correntes de convecção no núcleo liquido se
comportam como fios individuais num dínamo, estabelecendo desta forma um campo
magnético de grandes proporções. A parte sólida do núcleo também gira, porém mais
lentamente que a externa. A superfície irregular da camada externa ajuda a levantar
hipótese sobre as variações irregulares do campo.
Intensidade do campo
O estudo da intensidade do campo magnético é feito com finalidades cientificas e de
engenharia, na prospecção de minérios e fontes energéticas. O magnetômetro é o
dispositivo usado para medir esta intensidade.
Estudos recentes do magnetismo remanescente (residual) feito em rochas e em anomalias
magnéticas nas superfícies do fundo dos mares mostraram que a Terra reverteu sua
polaridade magnética no mínimo 170 vezes nos últimos 100 milhões de anos. Conhecidas
estas reversões, o que pode ser feito através do estudo de isótopos radioativos nas rochas,
podemos estudar o movimento de deriva dos continentes e o espalhamento das superfícies
oceânicas.
Procedimento:
a) Algumas informações importantes:
MERIDIANO MAGNÉTICO em um ponto é o plano que contém este ponto e os pólos norte
e sul magnéticos. Uma barra magnética, suspensa e livre, fica em repouso neste meridiano,
o qual é inclinado, de um pequeno ângulo, em relação ao meridiano geográfico.
ÂNGULO DE DECLINAÇÃO é o ângulo entre os meridianos geográficos e magnético em
um ponto particular. Como já vimos, esta declinação varia de lugar para lugar e ano após
ano.
ÂNGULO DE MERGULHO é o ângulo entre a direção horizontal e a direção do campo
magnético terrestre num ponto. Nos pólos o ângulo é de 90º e no equador é de 0º. O
equador magnético é a linha formada pelo conjuntos de pontos onde o ângulo de mergulho
é zero.
b) Método teórico para a experiência
Podemos medir a componente horizontal do campo magnético da Terra submetendo uma
bússola a um campo magnético uniforme. Se o campo em questão for perpendicular a
direção Norte-Sul, apontada pela bússola, esta se posicionará numa direção que será a
resultante dos dois campos. Lembre-se de que a bússola, por ser um dipolo magnético,
sofre a ação de um torque.
Fazendo com que o eixo das bobinas fique perpendicular a direção Norte-Sul a bússola
defletirá de um ângulo θ em relação a direção Norte-Sul.
No diagrama, tomando-se BS e BT como vetores, tem-se: B = BS + BT
Os vetores no diagrama anterior são definidos como:
BS – Campo magnético uniforme, produzido por um par de bobinas de Helmhotz
BT – Componente Horizontal do Campo Magnético da Terra
BS é conhecido (pode ser obtido na experiência), e o ângulo θ pode ser medido. Logo,
podemos fazer:
BS = BT tg θ.
(9.1)
Para determinar BT, basta fazer um gráfico no BS em função de tg θ, determinando a
inclinação do gráfico.
Usando-se as bobinas de Helmhotz temo, no ponto médio entre elas, um campo uniforme,
dado por:
Bs =
µ 0 NR 2 I
(
x2 + R2
)3
onde
µ
0
= 1,26 x10 − 6
N
A2
Na expressão acima, R é o raio das bobinas, N é o numero de espiras.
x é a metade da distancia entre as bobinas.
b) Material:
02 Espiras circulares
01 Bússola
01 Suporte para bússola
01 Resistor de 47 Ω
01 Miliamperímetro C.C.
01 Fonte universal
c) Montagem da experiência
1. Monte as espiras, uma em frente a outra, afastadas de R/2 (R é o raio da
espira)
2. Coloque a bússola sobre o suporte no centro do sistema, entre as espiras,
de modo que o plano da bússola contenha o eixo das expiras.
3. Gire agora as espiras, mantendo-as sempre paralelas, até que a linha
Norte-Sul da bússola seja perpendicular ao seu eixo.
4. Gire a bússola até que a posição Norte-Sul esteja coincidente com a linha
verde mais grossa (observe a figura).
5. Ligue as bobinas de tal modo que fiquem em série uma com a outra. (Veja
a figura).
6. Monte o circuito conforme a figura abaixo, utilizando a escala de 250 mA no
amperímetro e a saída de 12V (CC) da fonte. Use o resistor de 47Ω para
limitar a corrente (e assim, proteger as bobinas).
7. Varie a tensão, anotando os valores da corrente e a deflexão do ponteiro da
bússola. Não use ângulos maiores que 30º.
I(A)
θ (graus)
8. Complete a tabela abaixo, usando as expressões (9.1) e (9.2).
BS (T)
tg θ
9. Faça o gráfico BS x tg θ, faça a regressão linear e encontre a inclinação da
10.
reta. Qual o significado desta inclinação?
Qual o valor do campo magnético em Belo Horizonte?
Questões
1. Por que no centro geométrico das bobinas de Helmhotz, o campo é praticamente
constante?
2. Em qual outro dispositivo seria possível obter um campo magnético uniforme para
fazer esta experiência?
3. Por que recomendamos não usar ângulos de mais de 30º nas medidas?