0. Introdução Dr. Daniel Acosta Avalos

1. 0. IntroduçãoDr. Daniel Acosta Avalos “Orientação magnética nos seres vivos” Escola do CBPF 2010

2. O grupo de Biofísica do CBPF

3. Biofísica • Entendemos a biofísica como o estudo de problemas biológicos através de técnicas próprias da física. • Atualmente esta de moda a biofísica molecular. • No caso do magnetismo e a biologia existem duas áreas: o biomagnetismo e a magnetobiologia.

4. Biomagnetismo ou Magnetobiologia? • Biomagnetismo: Estudo dos campos magnéticos gerados por um organismo • Magnetobiologia: Estuda a resposta a ou detecção de campos magnéticos pelos organismos. • Neste curso ambos estão misturados!!

5. 1. O Campo GeomagnéticoDr. Daniel Acosta Avalos “Orientação magnética nos seres vivos” Escola do CBPF 2010

6. O que é o campo magnético? • Força elétrica: interação entre cargas elétricas • Força magnética: interação entre correntes elétricas • Corrente elétrica: cargas em movimento • Forças elétricas e magnéticas: unidas na força eletromagnética • As duas estão unificadas através da Teoria da Relatividade Especial

7. O que é o campo magnético? Fonte da força elétrica: a carga elétrica Existem fontes de força magnética? Não no sentido de uma carga. Não existem cargas magnéticas isoladas!!! Recentemente (2009) foram observadas em “gelos de spin” quasiparticulas semelhantes com monopolos magnéticos

8. O que é o campo magnético? • O conceito de campo aparece como uma abstração da interação a distancia entre corpos. • Um corpo A interage com outro corpo B através de “algo” que existe em volta de B e que interage com alguma propriedade do corpo A. Este “algo” em B existe independente de A e é chamado de campo.

9. O que é o campo magnético? As correntes elétricas geram campos magnéticos!!!!

10. O que é o campo magnético? E o que acontece nos imãs?? • A observação dos imãs e a equação de Maxwell permite concluir que: • Não existem os monopolos magnéticos • A menor unidade de fonte do campo magnético é o dipolo magnético

11. O que é o campo magnético? • Mesmo assim: qual a origem do magnetismo nos imãs? • Origem quântica: relação entre o momento angular (spin) e o momento magnético de uma partícula isolada ou sistema (átomo ou molécula)

12. O que é o campo magnético? • Para átomos com elétrons desemparelhados observamos que o momento magnético pode ser escrito quanticamente como: mB é o magneton de Bohr

13. O que é o campo magnético? • J é o momento angular total e é a soma do momento angular orbital L e do momento angular de spin S. • g é a divisão entre o momento magnético e o momento total → razão giromagnética • g → fator de deslocamento espectroscópico ou fator g

14. O que é o campo magnético? • Elétron livre: g = 2,0023 • No átomo livre: g é calculado através da equação de Lande: O magneton de Bohr tem quase o mesmo valor do momento magnético de spin do elétron livre.

15. Sistemas de unidades • Sistema Internacional • Intensidade campo magnético B → N / Am ou Wb / m2 • Indução magnética H → A / m • Nos últimos anos: • N / Am ou Wb / m2 = Tesla (T) • Sistema CGS • Indução magnética H → Gauss (G) • Intensidade campo magnético B → Oersted (Oe)

16. Sistemas de unidades • Para campos muito fracos: • SI → nT (10-9 T) • CGS → gamma () • Relações: • 1 G = 10-4 T = 10-4 Wb / m2 • 1  = 10-5 G = 1 nT

17. Sistemas de unidades Intensidade do campo magnético originado por fontes diferentes ou detectado por diferentes detectores. Observe que a escala é logarítmica.

18. História do descobrimento e de seu uso • Magneto → deriva de Magnésia, lugar da Macedônia onde existia muito material magnético • Platão escreveu sobre a atração observada entre estes tipos de rochas, fenômeno conhecido pelos gregos por volta de 400 a. C. • Porém.....as primeiras referências ao conhecimento destas pedras e sua interação com alguma força misteriosa na Terra → registros chineses entre 300 e 200 a. C.

19. História do descobrimento e de seu uso O nome deste artefato é Si Nan e funciona da seguinte forma: O cabo da colher aponta para o Sul enquanto a concha aponta para o Norte.... Identificado pela estrela Polaris através da constelação Ursa major. Magia???

20. História do descobrimento e de seu uso

21. História do descobrimento e de seu uso

22. História do descobrimento e de seu uso BUSSOLA • Primeiras referências... Shen Kua em 1088 • 100 anos depois...primeira descrição da bússola para navegação na Europa pelo Alexander Neckham de St. Albans • Chu Yu, autor Cantones de 1117, descreveu pilotos de navios chineses usando bússolas para guiar as naves em condições de céu nublado

23. História do descobrimento e de seu uso • Comerciantes árabes introduzem a bússola na Europa e deram o nome de Loadstone ou Lode-stone (pedra que guia) para o imã natural. • Pierre de Maricourt (Padre Peregrinus) pesquisa as propriedades dos imãs com forma de agulha e esfera, e descreve os seus resultados em 1269. Descreveu a localização dos pólos, que pólos iguais se repelem e pólos diferentes se atraem, e que eles sempre ocorrem em pares de sinais opostos e nunca isolados.

24. História do descobrimento e de seu uso Declinação Magnética • Já tinha sido descrita pelos chineses....porém o primeiro relato sobre este fenômeno na Europa só acontece com Cristóvão Colombo na sua viagem às Américas, em 1492.

25. História do descobrimento e de seu uso

26. História do descobrimento e de seu uso • Em 1600, William Gilbert desenvolve o primeiro trabalho científico da história, estudando as propriedades magnéticas da Terra. Comparou o que era conhecido do campo magnético na superfície da Terra com o campo magnético de um imã de forma esférica, concluindo que a Terra se comporta como um grande imã e que sua origem está no interior da mesma....

27. História do descobrimento e de seu uso Magnus magnes ipse est globus terrestris William Gilbert, 1600

28. História do descobrimento e de seu uso • Depois, o grande matemático alemão C.F.Gauss, por volta de 1839, usando a teoria do potencial mostrou que o campo magnético da Terra pode ser aproximado a primeira ordem por um campo dipolar (componente ou parte principal), chamando o resto do campo de parte irregular. Ele mostrou que ambas partes têm sua origem no interior da Terra, igual conclusão que a de Gilbert.....200 anos depois...

29. História do descobrimento e de seu uso

30. História do descobrimento e de seu uso

31. História do descobrimento e de seu uso • Magnétismo no mundo pre-hispanico • Olmecas: uma das civilizações mais antigas do continente americano. • Surgiu na Centro América e no México

32. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas: cabeças colossais

33. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas: • Era uma cultura muito antiga com conhecimentos em varias ciências. A escultura ao lado é uma das mais antigas representações do coração humano

34. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas: eles usaram materiais magnéticos em objetos ornamentais Espelho de magnetita Estátua com disco de hematita

35. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas: • Os arqueólogos utilizam métodos de mapeamento magnético para encontrar restos arqueológicos em sítios olmecas.

36. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas: Escultura de uma cabeça de tartaruga. A bússola mostra que ela esta magnetizada, com um dos pólos magnéticos no bico do focinho.

37. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas Esta barra de 3.5 cm é de magnetita, e o momento magnético está orientado ao longo de seu comprimento. Ao ser colocada numa rola flutuando em água, ela fica orientada com o campo geomagnético, e o sulco fica orientado no eixo N-S magnético. Possivelmente foi usado num artefato semelhante a uma bússola de navegação.

38. História do descobrimento e de seu uso • Olmecas: • Descobriram o magnetismo antes dos Chineses ou houve intercâmbio de conhecimentos entre ambos povos?? • As evidências mostram que os olmecas conheciam as propriedades magnéticas dos minerais, e que possivelmente usavam estas propriedades na navegação ou na orientação de prédios. • Ainda faltam mais estudos para que seja descoberto se realmente os Olmecas usaram o magnetismo da Terra em tarefas de orientação antes do que outras culturas.

39. Definição dos parâmetros necessários para a descrição do campo geomagnético • Campo geomagnético: definições

40. Definição dos parâmetros necessários para a descrição do campo geomagnético • Campo magnético → F • Componente horizontal → H • H pode ser observada com a bússola • Ângulo entre H e o norte geográfico: declinação magnética ou variação (D) • D é + (-) quando H aponta para o Leste (Oeste) do Norte • Ângulo entre F e H: inclinação magnética (I) • I é + (-) quando F aponta para baixo (cima)

41. Mapas IGRF • Mapas dos componentes do campo geomagnético • World Magnetic Survey: compilação dos dados adquiridos entre 1961 e 1967 • Geração dos mapas internacionais de referência do campo geomagnético (IGRF)

44. Mapas IGRF • Maiores valores: no pólo Norte magnético na Antártica, no pólo Sul magnético no Círculo Polar Ártico e na região da Sibéria (anomalia magnética). Valores aproximadamente de 0,68 G • Menores valores: América do Sul (anomalia do Atlântico Sul). Valores aproximadamente de 0,22 G

47. Mapas IGRF • O ângulo entre a direção do campo horizontal e o norte geográfico muda com a região do planeta. A bússola nunca aponta para o mesmo ponto!! • Linhas agônicas: D = 0 • Duas linhas agônicas: uma atravessa o continente americano e a outra atravessa o continente Europeu e metade da África.

50. Mapas IGRF • Hemisfério Norte: linhas de campo dirigidas para baixo (I>0) na maior parte. • Hemisfério Sul: linhas de campo dirigidas para cima (I<0) na maior parte. • Pólo Norte: I = +90º – Pólo Sul: I = -90º • Equador geomagnético: I = 0º • 1965: • PNM = 75,5ºN e 101ºW; Ilha de Bathurst, Canadá – Círculo Polar Ártico • PSM = 65,5ºS e 140,3ºE; Costa de Adelaide, Antártica (Fora do Círculo Antártico)