Conceitos Básicos de
Magnetometria
2a Parte
Magnetometria
Instrumentos - Magnetômetros
Flux Gate
Precessão de prótons
Bombeamento ótico ou Célula de absorção
Métodos de medida
Aéreos
Maritimicos
Terrestres
Magnetometria
Magnetômetro - Flux Gate
Este tipo de magnetômetro funciona baseado na interferência de um campo
externo sobre um conjunto de quatro bobinas montadas sobre dois núcleos de
ligas metálicas específicas .
Estas ligas metálicas tem a propriedade de possuir alta suscetibilidade
magnética associada com baixa magnetização remanente. Deste modo tem a
capacidade de produzir um forte campo magnético induzido em cada núcleo
quando a corrente é aplicada em um dos pares de bobinas (primárias).
As bobinas são montadas de tal modo que seja gerado dois campos de igual
intensidade mas com direções contrárias.
Magnetometria
Magnetômetro - Flux Gate
Com esta montagem quando não existe campo externo a medida nas bobinas
secundárias é zero.
Magnetometria
Magnetômetro - Flux Gate
Quando
existe
um
campo
externo,
a
medida nas bobinas
secundárias
varia
proporcionalmente
a
intensidade do campo
aplicado.
Magnetometria
Magnetômetro - Flux Gate
Este equipamento é chamado de magnetômetro vetorial, pois realiza a medida
da intensidade do campo magnético externo em uma dada direção (normalmente
ao longo do eixo do sensor).
Isto exige uma correta orientação do sensor para que as leituras do campo
terrestre sejam verdadeiras. Quando se efetua medidas tridimensionais do
campo magnético terrestre se acoplam três sensores ortogonais entre si com um
sistema de feedback para a correta orientação do sistema. Quando dois
sensores fornecem valores zero a leitura é efetuada no terceiro.
A grande desvantagem deste equipamento é que ele efetua medidas de
voltagem, deste modo necessita ser calibrado em um campo de intensidade
conhecida.
Magnetometria
Magnetômetros - Precessão de prótons
Desde a Segunda Grande Guerra é
pesquisado magnetômetros que utilizem
as propriedades quânticas dos átomos
para medir a intensidade do campo
magnético.
Uma destas propriedades é que núcleo do
átomo de hidrogênio tem a capacidade de
mudar a orientação do seu eixo de
rotação quando um campo magnético
externo é aplicado; com um momento
magnético proporcional ao momento
angular do seu spin.
Magnetometria
Magnetômetros - Precessão de prótons
Isto significa que sendo possível medir o momento angular do núcleo é possível
saber qual a intensidade do seu momento magnético.
Como o momento angular é quantizado (pacotes de energia de tamanho fixo)
possuindo valores específicos para cada núcleo, significa que o momento
magnético só pode possuir determinados valores específicos. A razão entre o
momento magnético e o momento angular é chamado de razão giromagnética
(γp = 2.675 X 108 /sT).
Com base neste princípio pode-se construir um aparelho capaz de medir a
intensidade de um campo magnético aplicado a um líquido rico em átomos de
hidrogênio pela medição do momento magnético gerado pelo movimento do
núcleos.
O líquido mais utilizado pode ser a água pois o momento nuclear do oxigênio é
zero; ou outro líquido rico em hidrogênio como álcool, gasolina, querosene, etc.
Magnetometria
Magnetômetros - Precessão de
prótons
A construção do sensor deste
aparelho é simples e robusta: um
recipiente cheio de líquido rico em
prótons envolto por uma bobina
indutora de campo magnética e
outra detectora.
Muitas vezes é utilizado uma
mesma bobina para induzir e medir
a precessão.
A bobina indutora gera um campo
de 10mT (200X CMT) alinhando os
núcleos de hidrogênio.
Magnetometria
Magnetômetros - Precessão de
prótons
Quando o campo aplicado cessa, o
núcleo prescessiona seu eixo de
rotação ao redor da direção do
campo magnético terrestre com
uma certa velocidade angular ou
freqüência.
Esta freqüência é proporcional ao
campo aplicado e é chamada de
freqüência precessional de Larmor
(f).
f = γp BT
Magnetometria
Magnetômetros - Precessão de prótons
Quando os núcleos realizam este movimento induzem um sinal na bobina detectora
com a mesma freqüência de Larmor.
Deste modo pode-se conhecer a intensidade do campo magnético terrestre (BT)
medindo-se a freqüência induzida na bobina, pela seguinte equação:
BT =
2π
f
γp
O campo magnético terrestre varia entre 30.000 a 60.000 nT o que corresponde a
uma feqüência de 1250 a 2500 Hz, sendo facilmetne medido pois está dentro da faixa
de audio.
Estes equipamentos possuem normalmente uma sensibilidade de 1nT com poucos
segundos de medida, sendo amplamente utilizados na maioria dos levantamentos
terrestres e embarcados.
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
Este método também é normalmente referido como magnetômetro de vapor alcalino
devido ao fato de utilizar vapor de Césio, Rubídio ou Sódio.
Seu princípio se baseia no modelo quântico de energia dos elétrons de um átomo.
De acordo com o numero quântico de um elétron, ele pode ocupar uma célula
concêntrica ao redor do núcleo de maior ou menor energia.
O nível de mais baixa energia é chamado de estado de base.
Devido a característica de ocupação dos elétrons (um par para cada nível), cada
elétron tem seu eixo antiparalelo em relação ao outro (spin contrários ).
Deste modo o momento magnético associado a este elétron pode estar paralelo ou
antiparalelo ao campo magnético externo determinando dois níveis de energia
diferentes.
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
Randomicamente estes níveis de energia estão equilibrados possuindo metade dos
elétrons em um nível de energia e a outra metade no outro.
Este estado de equilíbrio pode ser mudado se houver um aumento energético no
sistema. Deste modo os elétrons que estão no nível mais baixo de energia podem
pular para o nível mais alto.
Isto é feito iluminando-se a célula que contêm o gás de césio com luz gerada em
uma lâmpada de césio que passa por um filtro que remove determinados
comprimentos de onda.
Deste modo os elétrons que estão no estado base (G1) absorvem esta energia e
pula para um nível mais alto (G2):
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
O mecanismo simplificado fica:
a) No estado inicial da câmara, os níveis de energia estão equilibrados e a luz é
absorvida pelo gás na célula de vapor de Césio. A foto célula gera uma corrente
mínima.
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
b) Conforme a energia da luz vai sendo absorvida os elétrons dos níveis mais baixos
(G1) de energia pulam para um nível mais alto (H) e depois descem para o nível
intermediário (G2). No final processo a célula para de absorver energia (todos os
elétrons estão no nível G2) e torna-se transparente (corrente é máxima).
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
c) Se uma radio freqüência com energia eletromagnética de igual intensidade entre
os níveis G1 e G2 for introduzida no sistema, causará uma desestabilização
causando a migração de uma parte dos elétrons para os níveis de mais baixa
energia, tornando a célula opaca novamente.
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
Neste instante os elétrons estarão pulando entre as camadas G1 e G2 conforme
recebem e devolvem energia.
Neste processo os elétrons apresentam o mesmo efeito de prescessão ao redor
das linhas de campo magnético da Terra, como discutido anteriormente.
Isto causa uma interferência na absorção de energia da luz da lâmpada pelo
vapor de césio na mesma freqüência precessional de Larmor, devido ao fato que
durante a metade do caminho da precessão os elétrons estarão paralelo ao
campo magnético externo e na outra metade estarão antiparalelo.
Para melhorar este efeito e poder medir a intensidade total do campo magnético
terrestre o eixo de bombeamento é colocado a 45° em relação ao campo
magnético da Terra.
Magnetometria
Magnetômetros - Bombeamento ótico ou Célula de absorção
Deste modo pode-se estabelecer o valor do campo magnético terrestre (BT)
conhecendo-se a freqüência de Larmor neste processo e a razão giromagnético
do elétron (γe):
BT =
2π
f
γe
O valor de γe é muito bem conhecido e cerca de 1800 vezes maior que o γp.
Estes magnetômetros são muito mais sensíveis, podendo efetuar medidas de
0,01nT.
Magnetometria
Métodos de medida - Aéreos
Os magnetômetros podem ser acoplados a qualquer tipo de veículo aéreo, para
que sejam feitos diversos tipos de levantamentos magnéticos na superfície
terrestre.
Magnetometria
Métodos de medida - Aéreos
Magnetometria
Métodos de medida - Maritimicos
Métodos de medida - Terrestres
Magnetometria
Padrões de levantamentos aéreos e/ou maritímicos
Magnetometria -
Geomagnetismo
Bibliografia
LOWRIE, W., 2007. Fundamentals of Geophysics, sec. edit. Cambridge University Press.
TELFORD, W. D.; GELDART, L. P. & SHERIFF, R. E., 1990. Applied Geophysics, Second
Edition. Cambridge University Press.
ROBINSON, E. S., 1988. Basic Exporation Geophysics, ed. Jhon Wiley & Sons
Leitura auxiliar
FOWLER C> M. R., 2004. The solid Earth, An Introduction to Global Geophysics, Second
Edition. Cambridge University Press.