Magnetismo Terrestre: Um Laboratório Natural

Deborah S. Franco, Wagner D. Rocha; editado por AmandaBSantos

 Introdução e um pouco de história

Os fenômenos magnéticos sempre foram muito atrativos para as pessoas, independentemente de sua faixa etária. Todos que têm a oportunidade de manusear um ímã, logo percebem que ele possui propriedades curiosas, pois é capaz de interagir com outros objetos à distância. Até mesmo Einstein, em sua infância, ficou maravilhado quando viu uma força invisível atuando no movimento da agulha de uma bússola, fazendo-o considerar a existência de algo escondido e profundo por trás de todas as coisas. Não é a toa que vários clássicos da ficção trazem algum personagem que possui o “poder magnético”.

Não se sabe ao certo quando o magnetismo foi descoberto, mas existe a crença que seus fenômenos foram percebidos pela primeira vez, séculos antes de Cristo, em uma cidade na Grécia antiga conhecida como Magnésia, onde foram encontradas pedras com a capacidade de atrair-se ou repelir-se, além de atrair objetos de ferro. Constituídas por um determinado óxido de ferro, essas pedras foram chamadas de magnetitas, muito provavelmente em função do local onde foram descobertas. Ao longo da história, materiais detentores dessas propriedades passaram a ser referenciados pelo termo ‘magneto ou ímã’. Nesse sentido, a magnetita pode ser considerada um ímã natural.

A relação entre o magnetismo e a Terra começa a se revelar com a invenção da bússola pelos chineses. No século I d.C., eles já possuíam o conhecimento que barras de magnetita, suspensas pelo respectivo centro de gravidade, sempre se alinham na direção norte-sul geográfica do planeta. No século VI, descobriram que pequenas agulhas de ferro poderiam ser magnetizadas quando atritadas por uma amostra de magnetita. Mais tarde, perceberam que também era possível magnetizar o ferro aquecendo-o ao rubro e deixando-o esfriar estendido na direção norte-sul. No século XII, já utilizavam as bússolas como instrumento de orientação nas navegações [Palandi, 2003].

Em um tratado de 1269, Peter Peregrinus utilizou pela primeira vez a expressão ‘polos magnéticos’ (para referenciar os extremos norte e sul de um ímã), ele explicou a inseparabilidade dos polos (um ímã dividido em duas partes se transforma em dois ímãs) e mencionou a existência da ‘declinação magnética’ (discrepância entre a direção indicada pelo ímã e a direção norte-sul geográfica da Terra) [Palandi, 2003].

Com um grande interesse no estudo dos fenômenos magnéticos e com o objetivo de formalizar todos os conhecimentos sobre o assunto, surge o médico inglês William Gilbert, que já realizava diversos experimentos acerca da eletricidade. Em seu livro ‘De Magnete’, publicado em 1600, utiliza a teoria de que a Terra é um grande ímã para explicar o alinhamento norte-sul das bússolas. Segundo ele, o polo norte geográfico da Terra seria um polo (sul) magnético capaz de atrair o polo norte da agulha da bússola. Seguindo o mesmo raciocínio, o polo sul geográfico (polo norte magnético) da Terra seria capaz de atrair o polo sul da agulha da bússola.

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).

Mesmo representando o laboratório natural de grandes pensadores para o desenvolvimento do magnetismo, o campo magnético terrestre permanece pouco explorado na maioria dos livros didáticos atuais, ainda sendo tratado como uma grande barra magnetizada. No entanto, ele não é tão simples e uniforme. 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.

Com base na argumentação exposta, esse trabalho tem por objetivo caracterizar o campo magnético terrestre, apresentando e discutindo suas especificidades, além de realizar uma transposição didática desse “novo” conteúdo para o ensino médio, a fim de complementar e enriquecer o ensino de Ciências, em particular de Física, dentro dos conteúdos de Eletromagnetismo e de Física Moderna.

O Campo Magnético Terrestre:

• Origem
  
  

  Figura 01 – A estrutura interna da Terra.

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.

Figura 02- Temperaturas no interior da Terra.

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.

• Polos e Enfraquecimento do Campo

Figura 03- A Declinação Magnética.

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].

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).

Figura 04- A Anomalia Magnética do Atlântico Sul.

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.

• A Barreira de Proteção

Mesmo possuindo uma anomalia significativa, o campo magnético terrestre é tão intenso que avança em direção ao espaço, alcançando distâncias equivalentes a vários raios terrestres. Dessa forma, constitui uma blindagem magnética contra uma parte considerável das radiações eletricamente carregadas e nocivas que chegam do espaço sob a forma de ventos solares e raios cósmicos [Barnes, 2010]. Conhecida como ‘magnetosfera’, essa blindagem é fundamental para a manutenção da vida no planeta.

O vento solar é um fluxo de partículas ionizadas, essencialmente elétrons e núcleos de hélio, resultante da enorme diferença de pressão entre a coroa solar e o espaço.

O vento solar é acelerado a uma ordem de centenas de quilômetros por segundo, podendo atingir velocidades entre 400 e 800 Km/s nas proximidades da Terra. Em 1958, Eugene Parker formalizou uma teoria concisa para o vento solar e em 1962 demonstrou que a densidade para o vento solar raramente seria maior que 30 partículas/cm³ [Costa Jr. 2011]. A ação da magnetosfera sobre o vento solar é mostrada na Figura 05.

Figura 05 – Ação da magnetosfera sobre o vento solar.

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

• As Auroras e o Cinturão 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’.

Figura 06- As auroras.

‘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 06. 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.

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 07.

Figura 07- O 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.

Figura 08 – O espalhamento Compton.

• Transposição Didática para o Ensino Médio

Como pode ser observado, o campo magnético terrestre é um assunto muito instigante e cheio de vertentes. Usado como fonte de vários pensadores e pesquisadores, ele pode ser instrumento facilitador para o ensino de Eletromagnetismo, além de permitir uma retomada no ensino de Física Moderna, criando um ambiente investigativo estimulante para a curiosidade do aluno.

            Observando os livros didáticos de Ciências e de Física, é possível perceber a metodologia tradicional e formulada estabelecida, em particular, para o ensino do magnetismo. Esse cenário não é diferente no ensino superior, o que torna difícil esperar que o professor atuante no ensino médio tenha maneiras alternativas de apresentar o conteúdo, já que ele não tem o fundamento necessário e muitas vezes não o encontra nos livros. Assim, as aulas acabam moldadas em “decore e use”. 

            O assunto pode ser introduzido por meio de um debate com os alunos, visando determinar os impactos para a vida humana caso não existisse o campo magnético terrestre, o uso de vídeos e hipóteses que os tirem de suas zonas de conforto, são um ponto de partida para o surgimento de um interesse e consequentemente uma predisposição para a aprendizagem.

Com os tópicos apresentados anteriormente é possível estabelecer uma relação entre a física apresentada nos livros e a física do cotidiano dos estudantes, mostrando sua aplicabilidade. Por exemplo, a lei de Ampère usada no cálculo do campo magnético produzido por um conjunto de espiras, pode ser relacionada com a origem do campo magnético terrestre, que como já citado, possui diversas explicações, mas é consenso sua geração a partir de correntes que circulam no núcleo externo do planeta.

Nesse contexto, é possível discutir a regra da mão direita, apresentada na Figura 09, mostrando para os alunos que, de acordo com o campo magnético terrestre que conhecemos ser o oposto do geográfico, as correntes em seu núcleo devem estar em movimento no sentido anti-horário, movimento esse idêntico à rotação da Terra em torno do seu eixo.

Figura 09 – Regra da mão direita para o Campo Magnético

Outra abordagem seria a relação da equação de força sobre uma carga móvel quando esta é submetida a um campo magnético, que pode ser utilizada para tentar entender a barreira protetora formada pela magnetosfera e a ocorrência das auroras, mostrando o porquê de sua ocorrência nos polos magnéticos.

A força atuante em uma partícula depende do seno do ângulo entre o campo magnético e a velocidade da mesma, que é desviada de acordo com a Figura 10. Próximo aos polos, o ângulo tende a zero, extinguindo a força magnética que desvia a partícula, produzindo o efeito visível conhecido como auroras.

Figura 1O – Movimento das partículas em relação a Terra

O campo magnético protege a vida terrestre de raios cósmicos e tempestades solares, os quais se constituem como fluxos de partículas, representando um gancho para a introdução da Física Moderna. Dessa maneira, a Física Clássica não se apresenta tão distante da Física Moderna conforme abordado nos livros.

• Conclusão:

            Após uma análise acerca do campo magnético, pode-se pensar como algo que gera curiosidade e fascínio se torna tão monótono e aparentemente sem utilidade quando visto na escola. O Campo Magnético Terrestre é de importância vital para o planeta, foi historicamente muito relevante nos estudos sobre fenômenos magnéticos, é cheio de curiosidades e assuntos que podem ser abordados no ensino médio a fim de estimular os alunos.

Com a consciência de que a maioria dos livros deixam uma lacuna na parte do magnetismo, foi proposta a apresentação do campo magnético terrestre como centro das discussões sobre o conteúdo de Magnetismo e como início das discussões sobre Física Moderna, uma vez que, em geral, ela aparece no final dos livros como um conteúdo totalmente isolado da Física.

Referências Bibliográficas:                                                                  

• Barnes, T. G. Origem e Destino do Campo Magnético Terrestre – 1ª Edição. Sociedade Criacionista Brasileira (2010).
• Chaib, J. P. M. C. Assis, A. K. T. Ampère e a Origem do Magnetismo Terrestre. Anais do I Simpósio de Pesquisa em Ensino e História das Ciências da Terra – III Simpósio Nacional sobre Ensino de Geologia no Brasil, p. 315-320 (2007).
• Correa, C. F. T. O Campo Magnético da Terra. Monografia apresentada ao Programa de Educação Tutorial do curso de Bacharelado em Física. Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa-PB (2007).
• Costa Jr. E. Simões Jr. F. J. R. Cardoso F. R. e Alves M. V. O Vento Solar e a Atividade Geomagnética. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 4, 4301 (2011).
• Documentário: Magnetic Storm by NOVA. Disponível em:
  https://www.youtube.com/watch?v=GSnEmN_BLvw&index=79&list=WL
  Acessado em: 29/04/2016.
• Hewitt, P. G. Física Conceitual – 11ª Edição. Editora Bookman (Reimpressão 2012).
• Inversão dos Polos Magnéticos. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=ZJCBM1SZ-FY&list=PLyRcl7Q37-DUlJKeG5cks_deXdXjUEx1-&index=14
  Acessado em: 29/04/2016.
• Izzo de Oliveira, A. G. Rockenbach, M. Pacini A. A. Raios Cósmicos e a Heliosfera. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 36, n. 2, 2316 (2014).
• Tipler, Paul. Física – Volume 4 – Ótica e Física Moderna – 3ª Edição. Editora LCT (1995)
• Palandi, J. Figueiredo, D. B. Porto, A. V. L. Denardin, J. C. Magnano, P. R. Eletromagnetismo. Grupo de Ensino de Física, Departamento de Física, Universidade Federal de Santa Maria – RS (2003).
• Quevedo, C. P. Eletromagnetismo. Editora McGraw-Hill LTDA, 1982.
• História da Ciência – Da Antiguidade ao Renascimento Científico – Volume I – 2ª Edição. Editora Brasília.
• Rosa, C. A. P. História da Ciência – Da Antiguidade ao Renascimento Científico – Volume I – 2ª Edição. Editora Brasília.