22.11: Mais aplicações do magnetismo
- Page ID
- 194561
Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva algumas aplicações do magnetismo.
Espectrometria de massa
Os caminhos curvos seguidos por partículas carregadas em campos magnéticos podem ser usados. Uma partícula carregada que se move perpendicularmente a um campo magnético viaja em um caminho circular com um raio\(r\).
\[r = \frac{mv}{qB}\label{22.12.1}\]
Observou-se que essa relação poderia ser usada para medir a massa de partículas carregadas, como íons. Um espectrômetro de massa é um dispositivo que mede essas massas. A maioria dos espectrômetros de massa usa campos magnéticos para essa finalidade, embora alguns deles tenham designs extremamente sofisticados. Como existem cinco variáveis no relacionamento, existem muitas possibilidades. No entanto\(v\), se\(q\), e\(B\) puder ser corrigido, o raio do caminho\(r\) é simplesmente proporcional à massa\(m\) da partícula carregada. Vamos examinar um desses espectrômetros de massa que tem um design relativamente simples (Figura\(\PageIndex{1}\)). O processo começa com uma fonte de íons, um dispositivo como um canhão de elétrons. A fonte de íons fornece carga aos íons, os acelera até alguma velocidade\(v\) e direciona um feixe deles para o próximo estágio do espectrômetro. A próxima região é um seletor de velocidade que só permite a passagem de partículas com um valor específico de\(v\).
O seletor de velocidade tem um campo elétrico e um campo magnético, perpendiculares um ao outro, produzindo forças em direções opostas nos íons. Somente os íons para os quais as forças se equilibram viajam em linha reta para a próxima região. Se as forças se equilibrarem, então a força elétrica\(F = qE\) é igual à força magnética\(F = qvB\), de modo que\(qE = qvB\). Observando que\(q\) cancela, vemos que
\[v = \frac{E}{B}\label{22.12.2}\]
é a velocidade que as partículas devem ter para passar pelo seletor de velocidade e, além disso, isso\(v\) pode ser selecionado variando\(E\) e.\(B\) Na região final, há apenas um campo magnético uniforme e, portanto, as partículas carregadas se movem em arcos circulares com raios proporcionais à massa da partícula. Os caminhos também dependem da carga\(q\), mas como\(q\) está em múltiplos de cargas eletrônicas, é fácil determinar e discriminar entre íons em diferentes estados de carga.
Atualmente, a espectrometria de massa é amplamente usada em laboratórios de química e biologia para identificar substâncias químicas e biológicas de acordo com suas relações massa/carga. Na medicina, espectrômetros de massa são usados para medir a concentração de isótopos usados como traçadores. Normalmente, moléculas biológicas, como proteínas, são muito grandes, então elas são divididas em fragmentos menores antes de serem analisadas. Recentemente, grandes partículas de vírus foram analisadas como um todo em espectrômetros de massa. Às vezes, um cromatógrafo a gás ou um cromatógrafo líquido de alto desempenho fornece uma separação inicial das moléculas grandes, que são então inseridas no espectrômetro de massa.
Tubos de raios catódicos — CRTS — e similares
O que TVs sem tela plana, monitores de computador antigos, aparelhos de raio-x e o Stanford Linear Accelerator de 3,2 km de comprimento têm em comum? Todos eles aceleram os elétrons, tornando-os versões diferentes do canhão de elétrons. Muitos desses dispositivos usam campos magnéticos para direcionar os elétrons acelerados. A figura\(\PageIndex{2}\) mostra a construção do tipo de tubo de raios catódicos (CRT) encontrado em algumas TVs, osciloscópios e monitores de computador antigos. Dois pares de bobinas são usados para direcionar os elétrons, um na vertical e outro na horizontal, até o destino desejado.
Imagem por Ressonância Magnética
A ressonância magnética (MRI) é uma das ferramentas de imagem médica mais úteis e de rápido crescimento. Ele produz de forma não invasiva imagens bidimensionais e tridimensionais do corpo que fornecem informações médicas importantes sem nenhum dos riscos dos raios-X. A ressonância magnética é baseada em um efeito chamado ressonância magnética nuclear (RMN), no qual um campo magnético aplicado externamente interage com os núcleos de certos átomos, particularmente os de hidrogênio (prótons). Esses núcleos possuem seus próprios pequenos campos magnéticos, semelhantes aos dos elétrons e aos ciclos atuais discutidos anteriormente neste capítulo.
Quando colocados em um campo magnético externo, esses núcleos experimentam um torque que empurra ou alinha os núcleos em um dos dois novos estados de energia, dependendo da orientação de seu spin (análogo ao pólo N e ao pólo S em uma barra magnética). As transições do estado de energia inferior para o mais alto podem ser obtidas usando um sinal de radiofrequência externo para “inverter” a orientação dos pequenos ímãs. (Isso é na verdade um processo de mecânica quântica. A direção do campo magnético nuclear é quantizada, assim como a energia nas ondas de rádio. Voltaremos a esses tópicos em capítulos posteriores.) A frequência específica das ondas de rádio que são absorvidas e reemitidas depende sensivelmente do tipo de núcleo, do ambiente químico e da intensidade do campo magnético externo. Portanto, esse é um fenômeno de ressonância no qual núcleos em um campo magnético agem como ressonadores (análogos aos discutidos no tratamento do som em “Movimento e ondas oscilatórias”) que absorvem e reemitem apenas determinadas frequências. Portanto, o fenômeno é chamado de ressonância magnética nuclear (RMN).
A RMN tem sido usada por mais de 50 anos como uma ferramenta analítica. Foi formulado em 1946 por F. Bloch e E. Purcell, com o Prêmio Nobel de Física de 1952 a eles por seus trabalhos. Nas últimas duas décadas, a RMN foi desenvolvida para produzir imagens detalhadas em um processo agora chamado de ressonância magnética (MRI), um nome cunhado para evitar o uso da palavra “nuclear” e a implicação concomitante de que a radiação nuclear está envolvida. (Não é.) O Prêmio Nobel de Medicina de 2003 foi para P. Lauterbur e P. Mansfield por seu trabalho com aplicações de ressonância magnética.
A maior parte da unidade de ressonância magnética é um ímã supercondutor que cria um campo magnético, normalmente entre 1 e 2 T de intensidade, em um volume relativamente grande. As imagens de ressonância magnética podem ser altamente detalhadas e informativas sobre estruturas e funções dos órgãos. É útil que tecidos normais e não normais respondam de forma diferente a pequenas mudanças no campo magnético. Na maioria das imagens médicas, os prótons que são núcleos de hidrogênio são fotografados. (Cerca de 2/3 dos átomos do corpo são hidrogênio.) Sua localização e densidade fornecem uma variedade de informações médicas úteis, como a função dos órgãos, a condição do tecido (como no cérebro) e a forma das estruturas, como discos vertebrais e superfícies articulares do joelho. A ressonância magnética também pode ser usada para acompanhar o movimento de certos íons através das membranas, fornecendo informações sobre transporte ativo, osmose, diálise e outros fenômenos. Com excelente resolução espacial, a ressonância magnética pode fornecer informações sobre tumores, derrames, lesões no ombro, infecções, etc.
Uma imagem requer informações de posição, bem como a densidade de um tipo nuclear (geralmente prótons). Ao variar o campo magnético ligeiramente acima do volume a ser fotografado, a frequência de ressonância dos prótons varia com a posição. As frequências de rádio de transmissão são varridas por uma faixa apropriada e os núcleos as absorvem e as reemitem somente se os núcleos estiverem em um campo magnético com a intensidade correta. O receptor de imagem coleta informações pelo corpo quase ponto a ponto, construindo um mapa do tecido. A recepção de ondas de rádio reemitidas em função da frequência, portanto, fornece informações de posição. Essas “fatias” ou seções transversais do corpo têm apenas vários mm de espessura. A intensidade das ondas de rádio reemitidas é proporcional à concentração do tipo nuclear que está sendo invertido, bem como às informações sobre o ambiente químico nessa área do corpo. Várias técnicas estão disponíveis para melhorar o contraste nas imagens e obter mais informações. As varreduras chamadas T1, T2 ou varreduras de densidade de prótons dependem de diferentes mecanismos de relaxamento dos núcleos. Relaxamento se refere ao tempo necessário para que os prótons retornem ao equilíbrio após o campo externo ser desligado. Esse tempo depende do tipo e do estado do tecido (como inflamação).
Embora as imagens de ressonância magnética sejam superiores aos raios X para certos tipos de tecido e não apresentem nenhum dos riscos dos raios X, elas não substituem completamente as imagens de raio-x. A ressonância magnética é menos eficaz do que os raios X para detectar quebras no osso, por exemplo, e na imagem do tecido mamário, portanto, as duas ferramentas de diagnóstico se complementam. As imagens de ressonância magnética também são caras em comparação com imagens simples de raio-x e tendem a ser usadas com mais frequência quando fornecem informações que não são obtidas facilmente dos raios X. Outra desvantagem da ressonância magnética é que o paciente fica totalmente fechado com detectores próximos ao corpo por cerca de 30 minutos ou mais, levando à claustrofobia. Também é difícil para o paciente obeso estar no túnel magnético. Agora estão disponíveis novas máquinas de “ressonância magnética aberta” nas quais o ímã não envolve completamente o paciente.
Na última década, o desenvolvimento de exames muito mais rápidos, chamados de “ressonância magnética funcional” (fMRI), nos permitiu mapear o funcionamento de várias regiões do cérebro responsáveis pelo controle do pensamento e do motor. Essa técnica mede a mudança no fluxo sanguíneo para atividades (pensamento, experiências, ação) no cérebro. As células nervosas aumentam o consumo de oxigênio quando ativas. A hemoglobina sanguínea libera oxigênio para as células nervosas ativas e tem propriedades magnéticas um pouco diferentes quando oxigenada do que quando desoxigenada. Com a ressonância magnética, podemos medir isso e detectar um sinal dependente de oxigênio no sangue. Atualmente, a maioria dos exames cerebrais usa fMRI.
Outros usos médicos dos campos magnéticos
As correntes nas células nervosas e no coração criam campos magnéticos como qualquer outra corrente. Eles podem ser medidos, mas com alguma dificuldade, pois suas forças são quase\(10^{-6}\)\(10^{-8}\) menores que o campo magnético da Terra. O registro do campo magnético do coração à medida que ele bate é chamado de magnetocardiograma (MCG), enquanto as medições do campo magnético do cérebro são chamadas de magnetoencefalograma (MEG). Ambos fornecem informações que diferem daquelas obtidas pela medição dos campos elétricos desses órgãos (ECGs e EEGs), mas ainda não são de importância suficiente para tornar essas medições difíceis comuns.
Em ambas as técnicas, os sensores não tocam o corpo. O MCG pode ser usado em estudos fetais e provavelmente é mais sensível do que a ecocardiografia. O MCG também analisa a atividade elétrica do coração, cuja saída de tensão é muito pequena para ser registrada por eletrodos de superfície, como no EKG. Tem o potencial de ser um exame rápido para o diagnóstico precoce de isquemia cardíaca (obstrução do fluxo sanguíneo para o coração) ou problemas com o feto.
O MEG pode ser usado para identificar descargas elétricas anormais no cérebro que produzem sinais magnéticos fracos. Portanto, ele analisa a atividade cerebral, não apenas a estrutura cerebral. Tem sido usado para estudos da doença de Alzheimer e epilepsia. Os avanços na instrumentação para medir campos magnéticos muito pequenos permitiram que essas duas técnicas fossem usadas mais nos últimos anos. O que é usado é um sensor chamado SQUID, para dispositivo supercondutor de interferência quântica. Isso opera em temperaturas de hélio líquido e pode medir campos magnéticos milhares de vezes menores que os da Terra.
Finalmente, há um mercado florescente de curas magnéticas em que os ímãs são aplicados de várias maneiras no corpo, de pulseiras magnéticas a colchões magnéticos. O melhor que se pode dizer sobre essas práticas é que elas são aparentemente inofensivas, a menos que os ímãs se aproximem do computador ou dos discos magnéticos de armazenamento do paciente. São feitas alegações de um amplo espectro de benefícios, desde a limpeza do sangue até o fornecimento de mais energia ao paciente, mas estudos clínicos não verificaram essas alegações, nem existe um mecanismo identificável pelo qual tais benefícios possam ocorrer.
EXPLORAÇÕES DE PHET: ÍMÃ E BÚSSOLA
Você já se perguntou como uma bússola funcionou para apontar você para o Ártico? Explore as interações entre uma bússola e uma barra magnética e, em seguida, adicione a Terra e encontre a resposta surpreendente! Varie a força do ímã e veja como as coisas mudam tanto por dentro quanto por fora. Use o medidor de campo para medir como o campo magnético muda.
Resumo
- Campos elétricos e magnéticos cruzados (perpendiculares) atuam como um filtro de velocidade, fornecendo forças iguais e opostas em qualquer carga com velocidade perpendicular aos campos e de magnitude\[v = \frac{E}{B}. \nonumber\]
Glossário
- ressonância magnética (MRI)
- uma técnica de imagem médica que usa campos magnéticos, cria imagens detalhadas de tecidos e órgãos internos
- ressonância magnética nuclear (RMN)
- um fenômeno no qual um campo magnético aplicado externamente interage com os núcleos de certos átomos
- magnetocardiograma (MCG)
- uma gravação do campo magnético do coração enquanto ele bate
- magnetoencefalograma (MEG)
- uma medida do campo magnético do cérebro