Um dos processos importantes para o funcionamento de um galvanômetro é a criação de um campo magnético a partir da corrente que passa pelo circuito. Para isso, são utilizadas as bobinas. Um avanço importante para a criação de campo magnético para experimentos e medidas foi desenvolvido pelo físico e matemático Hermann von Helmholtz (1821 — 1894), como uma ferramenta para a realização de experimentos de biologia.
A bobina de Helmholtz consiste no uso de duas bobinas idênticas e paralelas, separadas por uma distância igual ao raio das mesmas. A corrente, que pode ser tanto contínua (CC) quanto alternada (CA), passa com o mesmo sentido nas duas bobinas, criando campos magnéticos que se somam.
Essa modificação, diferentemente de quando se utiliza apenas uma bobina, permite a criação de um campo magnético quase uniforme entre as bobinas que pode ser utilizado para diversos fins. Em galvanômetros, a possibilidade de um campo magnético uniforme permite o uso de bússolas maiores e mais sensíveis, aprimorando a medida de corrente, mas há muitos outros usos importantes para estas bobinas, como a calibração de equipamentos de navegação, magnetização e desmagnetização de peças ferromagnéticas e ajuste de direção de feixes de íons, por exemplo. Um caso muito importante do seu uso foi na descoberta da relação entre a carga e massa dos elétrons, por J. J. Thomson, em 1897. Bobinas de Helmholtz foram importantes para o estudo das propriedades dos íons de diferentes átomos junto ao uso de Tubos de Goldstein e os raios anódicos, pois era necessário gerar um campo magnético homogêneo em uma área ampla.
Alguns galvanômetros já vistos nesta exposição, como o galvanômetro de tangente e o de senos, utilizam uma única bobina para gerar um campo magnético, mas existem versões destes equipamentos que utilizam Bobinas de Helmholtz. A troca da bobina simples pela dupla, deixando a bússola entre as duas bobinas e alinhada com o centro delas, tem duas vantagens importantes: permite o uso de bússolas maiores, com mais resolução, e toda a bússola fica sujeita ao mesmo campo magnético e o resultado na medição de corrente não é prejudicado por erros pequenos de posicionamento da bússola. Isso ocorre porque o campo magnético gerado ao longo eixo das Bobinas de Helmholtz varia muito pouco no espaço entre elas.
Os gráficos acima representam a intensidade relativa do campo magnético, em relação ao campo máximo, ao longo do eixo central de uma bobina única (gráfico 1, curva vermelha) e de uma Bobina de Helmholtz (gráfico 2, curva azul). O achatamento do topo da curva da Bobina de Helmholtz representa o ganho de uniformidade do campo magnético que é característica desse instrumento. Se aceitarmos como homogênea a região onde a variação de intensidade do campo magnético é menor do que 1%, essa região se estende até 0,31R na Bobina de Helmholtz e 0,08R para a bobina simples, ou seja, a região onde o campo possui variação de até 1% do seu máximo é quase quatro vezes maior na Bobina de Helmholtz. Nos gráficos ao lado, observa-se que a queda da intensidade de campo magnético para um deslocamento de 0,25R (R/4) é de cerca de 0,4% na Bobina de Helmholtz, e de 8,7% na bobina única.
Pablo Enrique J. Silvestrin / Equipe AMLEF 2020
Referências
- ROBERT, Renê. Revista Brasileira de Ensino de Física. Bobina de Helmholtz. Disponível em: <https://www.scielo.br/pdf/rbef/v25n1/a05v25n1.pdf>. Acesso em 18/08/2020.
- GERMANOVIX, G. R. Projeto e construção de uma bobina de Helmholtz de três eixos aplicada à calibração de magnetômetros. Universidade Estadual de Londrina, 2014.
- Roteiro de aula da disciplina de Física Experimental 3 da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Campo Magnético da Terra.
- Roteiro de aula da disciplina de Física 2 da Universidade Federal de Ouro Preto. Campo Magnético da Terra.
- Roteiro de aula da disciplina de Física 3 da Universidade Federal dda Bahia. Medidas da Componente Horizontal do Campo Magnético Terrestre.