Aceleradores de partículas
Dos linacs ao superacelerador
João Freitas da Silva*
Especial para a página 3 Pedagogia & Comunicação
Especial para a página 3 Pedagogia & Comunicação
Existem, no que se refere à forma, dois tipos de aceleradores: lineares e circulares.
Nos aceleradores lineares, também chamados de linacs, o feixe de partículas praticamente percorre uma trajetória retilínea de uma extremidade a outra do acelerador.
Já nos aceleradores circulares, também chamados de cíclotrons, o feixe de partículas percorre trajetórias circulares por várias vezes antes de colidir com o alvo. Em cada volta, as partículas são mais aceleradas, devido à presença de campos elétricos que dão novos impulsos às partículas. Nesse caso, ímãs gigantes são utilizados para manter o feixe de partículas em sua trajetória circular.
É importante lembrar que partículas carregadas em movimento estão associadas a um campo magnético ao seu redor e se tornam um ímã. Outros ímãs gigantes, estrategicamente colocados ao longo do acelerador circular, interagem com o campo das partículas carregadas, alterando sua trajetória.
Esses ímãs gigantes representam a força constante em direção ao centro do círculo, força essa que mantém o feixe de partículas em trajetória circular, sem aumentar ou diminuir a energia das partículas que compõem o feixe.
Nos aceleradores de partículas cria-se uma situação de vácuo de alta precisão, para evitar que as partículas carregadas colidam com outros tipos de partículas ou pedaços de matéria.
Outra vantagem dos aceleradores circulares é a de que não precisam ser muito compridos para atingir as altas energias, já que o feixe de partículas dá várias voltas. Esse número de voltas também aumenta a chance de colisões entre partículas que se cruzam.
Com relação aos aceleradores lineares, são bem mais fáceis de construir, pois não necessitam de ímãs potentes para manter a trajetória circular (como no caso dos aceleradores circulares) do feixe de partículas, já que elas percorrerão uma trajetória retilínea.
Os aceleradores circulares também precisam de um grande raio para que as partículas atinjam as energias necessárias, o que torna seu custo bem maior do que o de um linear.
Outro aspecto importante considerado pelos pesquisadores é que partículas carregadas irradiam energia quando aceleradas - e quando trabalhamos com altas energias a radiação perdida é maior para acelerações circulares.
Esses são alguns aspectos importantes, que devem ser considerados por pesquisadores e financiadores de pesquisas antes da construção de um acelerador de partículas.
As órbitas circulares são possíveis graças à presença de um campo magnético uniforme, disposto perpendicularmente à base. Aqui energias da ordem de 106eV (1 Gev) são atingidas.
Esses princípios básicos foram de extrema importância para o desenvolvimento dos aceleradores circulares.
Denominado LHC (Large Hadron Collider - Grande Colisor de Hádrons), com 27 km de circunferência, construído a 100 metros de profundidade e atingindo áreas da França e da Suíça, esse acelerador fará partículas nucleares (prótons, que são hádrons formados por dois quarks up e um down - uud) se chocarem com altíssimas energias.
Durante as colisões são esperadas energias em torno de TeV (trilhões de elétrons - volt). Comparem com a energia obtida com o cíclotron de Ernest Lawrence e vejam o avanço obtido!
O LHC está abrigado no CERN (Conseil Européen pour La Recherche Nucléaire - Conselho Europeu para Pesquisas Nucleares), hoje denominado European Laboratory for Particle Physics - Laboratório Europeu para Física de Partículas.
Nos aceleradores lineares, também chamados de linacs, o feixe de partículas praticamente percorre uma trajetória retilínea de uma extremidade a outra do acelerador.
Já nos aceleradores circulares, também chamados de cíclotrons, o feixe de partículas percorre trajetórias circulares por várias vezes antes de colidir com o alvo. Em cada volta, as partículas são mais aceleradas, devido à presença de campos elétricos que dão novos impulsos às partículas. Nesse caso, ímãs gigantes são utilizados para manter o feixe de partículas em sua trajetória circular.
É importante lembrar que partículas carregadas em movimento estão associadas a um campo magnético ao seu redor e se tornam um ímã. Outros ímãs gigantes, estrategicamente colocados ao longo do acelerador circular, interagem com o campo das partículas carregadas, alterando sua trajetória.
Esses ímãs gigantes representam a força constante em direção ao centro do círculo, força essa que mantém o feixe de partículas em trajetória circular, sem aumentar ou diminuir a energia das partículas que compõem o feixe.
Nos aceleradores de partículas cria-se uma situação de vácuo de alta precisão, para evitar que as partículas carregadas colidam com outros tipos de partículas ou pedaços de matéria.
Comparações
Comparando-se os dois tipos de aceleradores, temos que os circulares são bem mais eficientes, pois, a cada volta, as partículas recebem novos impulsos, aumentando a sua energia, o que permite que os pesquisadores consigam partículas com energias altíssimas antes das colisões.Outra vantagem dos aceleradores circulares é a de que não precisam ser muito compridos para atingir as altas energias, já que o feixe de partículas dá várias voltas. Esse número de voltas também aumenta a chance de colisões entre partículas que se cruzam.
Com relação aos aceleradores lineares, são bem mais fáceis de construir, pois não necessitam de ímãs potentes para manter a trajetória circular (como no caso dos aceleradores circulares) do feixe de partículas, já que elas percorrerão uma trajetória retilínea.
Os aceleradores circulares também precisam de um grande raio para que as partículas atinjam as energias necessárias, o que torna seu custo bem maior do que o de um linear.
Outro aspecto importante considerado pelos pesquisadores é que partículas carregadas irradiam energia quando aceleradas - e quando trabalhamos com altas energias a radiação perdida é maior para acelerações circulares.
Esses são alguns aspectos importantes, que devem ser considerados por pesquisadores e financiadores de pesquisas antes da construção de um acelerador de partículas.
Primeiro acelerador
Podemos dizer que o predecessor dos aceleradores circulares foi o cíclotron construído, em 1929, por Ernest Lawrence, ganhador do prêmio Nobel em 1939. No cíclotron temos uma geometria circular dividida ao meio, onde prótons são injetados em sua parte central e, graças à mudança de polaridade do campo elétrico existente entre as duas metades, são acelerados e vão percorrendo órbitas maiores até deixarem o acelerador.As órbitas circulares são possíveis graças à presença de um campo magnético uniforme, disposto perpendicularmente à base. Aqui energias da ordem de 106eV (1 Gev) são atingidas.
Esses princípios básicos foram de extrema importância para o desenvolvimento dos aceleradores circulares.
Superacelerador
O ano de 2008 representa um grande avanço na área da física de partículas, pois marca o início das pesquisas com um superacelerador de partículas que representa o maior empreendimento científico e tecnológico da atualidade.Denominado LHC (Large Hadron Collider - Grande Colisor de Hádrons), com 27 km de circunferência, construído a 100 metros de profundidade e atingindo áreas da França e da Suíça, esse acelerador fará partículas nucleares (prótons, que são hádrons formados por dois quarks up e um down - uud) se chocarem com altíssimas energias.
Durante as colisões são esperadas energias em torno de TeV (trilhões de elétrons - volt). Comparem com a energia obtida com o cíclotron de Ernest Lawrence e vejam o avanço obtido!
O LHC está abrigado no CERN (Conseil Européen pour La Recherche Nucléaire - Conselho Europeu para Pesquisas Nucleares), hoje denominado European Laboratory for Particle Physics - Laboratório Europeu para Física de Partículas.
Big Bang
A Grande Explosão e teoria do nascimento do Universo
Carlos Alberto Campagner*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação
 A explosão inicial que teria dado origem ao Universo |
O Prêmio Nobel de física de 2006 foi concedido a uma dupla de pesquisadores americanos, John Mather e George Smoot, por sua contribuição em comprovar a teoria do Big Bang sobre a formação do Universo.
Para conhecer a teoria do Big Bang, devem-se conhecer previamente alguns conceitos.
Esse efeito ficou conhecido como efeito Doppler.
No nosso cotidiano, podemos observá-lo. Quando um carro se aproxima de nós, buzinando, percebemos o som mais agudo (maior freqüência). Quando ele se afasta, o som se torna mais grave.
No caso dos corpos estelares, esta mudança de freqüência se dá na luz emitida pelos corpos se afastando, que tende para o vermelho.
Nasceu assim a teoria do Big Bang: ponto inicial foi uma explosão, a uma temperatura altíssima. O Universo começou a se expandir e a esfriar. Na verdade, essa idéia começou a ser discutida a partir da intervenção do padre e cosmólogo belga Georges Lamaître, para quem o Universo teria tido um início repentino.
A dilatação do Universo foi colocada em uma progressão aritmética por Edwin Powell Hubble, que descobriu a razão de seu crescimento, chamada de constante de Hubble. Com o conhecimento da lei de crescimento e sua razão, conseguiu-se estimar a idade do universo (provavelmente entre 8 e 12 bilhões de anos).
Outras descobertas começaram a ser feitas, reforçando cada vez mais a teoria. A medida de elementos químicos leves (hidrogênio e hélio) também mostra as transformações cósmicas.
Deve-se, porém, lembrar que o Big Bang ainda é uma teoria, ou seja, não foi provada, mas cada vez mais indícios a reforçam, como é o caso dos apresentados prêmios Nobel de 2006. Novas considerações do cientista russo George Gamov sobre o instante zero propõem que naquele momento a matéria começou a predominar em relação à antimatéria.
Mais contribuições deverão surgir num futuro próximo e acabar provando ou refutando essa teoria. É assim que a ciência se faz.
Para conhecer a teoria do Big Bang, devem-se conhecer previamente alguns conceitos.
Efeito Doppler
Em 1842, Christian Doppler descobriu que, quando um corpo luminoso (ou sonoro) se aproxima de um observador, o comprimento de onda da luz emitida por ele diminui e, inversamente, aumenta, quando ele estiver se afastando.Esse efeito ficou conhecido como efeito Doppler.
No nosso cotidiano, podemos observá-lo. Quando um carro se aproxima de nós, buzinando, percebemos o som mais agudo (maior freqüência). Quando ele se afasta, o som se torna mais grave.
No caso dos corpos estelares, esta mudança de freqüência se dá na luz emitida pelos corpos se afastando, que tende para o vermelho.
Velocidade das galáxias
Em 1929, o astrônomo Edwin Powell Hubble - trabalhando no telescópio Hale do Palomar Observatory (que, durante muitos anos, foi o maior do mundo) - descobriu que as chamadas nebulosas nada mais eram que galáxias distantes. Mais tarde, usando o efeito Doppler, provou-se que, além de estarem fora da nossa galáxia (a Via Láctea) estavam se afastando a velocidades muito grandes.Teoria do Big Bang
Ora, se as galáxias estão se afastando, isso poderia significar que elas estavam mais próximas em tempos remotos. E se elas estivessem tão perto que se concentrassem em um único ponto no início dos tempos?Nasceu assim a teoria do Big Bang: ponto inicial foi uma explosão, a uma temperatura altíssima. O Universo começou a se expandir e a esfriar. Na verdade, essa idéia começou a ser discutida a partir da intervenção do padre e cosmólogo belga Georges Lamaître, para quem o Universo teria tido um início repentino.
A dilatação do Universo foi colocada em uma progressão aritmética por Edwin Powell Hubble, que descobriu a razão de seu crescimento, chamada de constante de Hubble. Com o conhecimento da lei de crescimento e sua razão, conseguiu-se estimar a idade do universo (provavelmente entre 8 e 12 bilhões de anos).
Microondas espaciais
Atribui-se a Arno Penzias e Robert Wilson, dos Laboratórios Bell, em New Jersey, EUA, a detecção, por acidente, da radiação cósmica de fundo, em 1964. Estudando interferências em comunicações, eles descobriram uma interferência que eram microondas vindas do espaço. Esta descoberta reforçou a teoria do Big Bang, pois, a propagação desse chamado ruído de fundo se dava em todas as direções e obedecia a constante de Hubble.Outras descobertas começaram a ser feitas, reforçando cada vez mais a teoria. A medida de elementos químicos leves (hidrogênio e hélio) também mostra as transformações cósmicas.
Deve-se, porém, lembrar que o Big Bang ainda é uma teoria, ou seja, não foi provada, mas cada vez mais indícios a reforçam, como é o caso dos apresentados prêmios Nobel de 2006. Novas considerações do cientista russo George Gamov sobre o instante zero propõem que naquele momento a matéria começou a predominar em relação à antimatéria.
Mais contribuições deverão surgir num futuro próximo e acabar provando ou refutando essa teoria. É assim que a ciência se faz.
Campo magnético - condutor retilíneo
Aplicações da Lei de Ampère
João Freitas da Silva*
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação
Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação
Há várias situações específicas em que podemos utilizar o cálculo da intensidade do campo magnético (associado a condutores percorridos por corrente elétrica) e, também, a representação desse campo. Uma delas é o campo magnético em um condutor retilíneo.
Nesse caso, precisamos ter em mente que as linhas de campo são representadas por circunferências concêntricas em planos perpendiculares (que formam um ângulo de 90°) em relação ao condutor. O centro dessas circunferências é o próprio condutor.
Se imaginarmos o condutor retilíneo como um fio reto e longo, podemos determinar sua intensidade da seguinte forma, considerando a Lei de Ampère:
.
Nesse caso, para simplificar ao máximo os cálculos, a linha fechada escolhida para representar a superfície - e que utilizaremos para determinar o valor do campo magnético - terá o formato circular. Assim, poderemos considerar o campo magnético
constante, pois a corrente apresenta a mesma intensidade e a distância de cada ponto da curva ao fio também permanece a mesma - e é chamada de raio.
Também poderemos escrever a Lei de Ampère da seguinte maneira:
. Onde
representa o comprimento da circunferência (já que adotamos um círculo para representar nossa linha fechada), 
representa a distância de cada ponto da curva até o fio (na verdade, um raio, já que temos um círculo) e
representa o campo total.
Dessa forma, temos:
. E esta será a relação que utilizaremos sempre que precisarmos determinar a intensidade do campo magnético em um condutor retilíneo e longo.
O sentido do vetor campo magnético é dado pela regra da mão direita. E sua direção é tangente à linha de força no ponto onde estamos determinando o campo magnético, conforme figura:
Na figura:
representa a corrente elétrica que percorre o fio condutor em seu sentido convencional.
representa o vetor campo magnético em cada ponto da linha de campo representada por curvas fechadas.
O sentido do campo é determinado pela regra da mão direita.
Lembramos que o sentido convencional da corrente elétrica é o mesmo dos portadores de carga positiva (do pólo positivo da fonte de energia para o pólo negativo), conforme a figura a seguir:
Observação: É comum utilizarmos vetores com direções perpendiculares a determinados planos de referência. Por isso, quando o vetor campo magnético estiver entrando no plano de referência usaremos o símbolo: 
. E quando estiver saindo do plano de referência: 
.
GASPAR, Alberto. Física, volume único, Editora Ática, 1ª edição, SP, 2001.
GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO de FÍSICA. Física 3: Eletromagnetismo/GREF, 3ª edição, Edusp, SP, 1998.
PARANÁ, Djalma Nunes da Silva; SOROCABA, José Roberto Castilho Piqueira; Andrade, Luís Ricardo Arruda de; CARRILHO, Ronaldo. Física, Coleção Anglo, Ensino Médio, vol. 3, SP, 2002.
UENO, Paulo T. Física no cotidiano - Leituras e atividades, vol. 3, Editora Didacta.
UENO, Paulo T. Física, Novo Ensino Médio, Editora Ática, 1ª edição, SP, 2005.
Nesse caso, precisamos ter em mente que as linhas de campo são representadas por circunferências concêntricas em planos perpendiculares (que formam um ângulo de 90°) em relação ao condutor. O centro dessas circunferências é o próprio condutor.
Se imaginarmos o condutor retilíneo como um fio reto e longo, podemos determinar sua intensidade da seguinte forma, considerando a Lei de Ampère:
. Nesse caso, para simplificar ao máximo os cálculos, a linha fechada escolhida para representar a superfície - e que utilizaremos para determinar o valor do campo magnético - terá o formato circular. Assim, poderemos considerar o campo magnético
constante, pois a corrente apresenta a mesma intensidade e a distância de cada ponto da curva ao fio também permanece a mesma - e é chamada de raio. Também poderemos escrever a Lei de Ampère da seguinte maneira:
. Onde representa o comprimento da circunferência (já que adotamos um círculo para representar nossa linha fechada), representa a distância de cada ponto da curva até o fio (na verdade, um raio, já que temos um círculo) e
representa o campo total. Dessa forma, temos:
. E esta será a relação que utilizaremos sempre que precisarmos determinar a intensidade do campo magnético em um condutor retilíneo e longo.O sentido do vetor campo magnético é dado pela regra da mão direita. E sua direção é tangente à linha de força no ponto onde estamos determinando o campo magnético, conforme figura:
 |
Na figura:
representa a corrente elétrica que percorre o fio condutor em seu sentido convencional. representa o vetor campo magnético em cada ponto da linha de campo representada por curvas fechadas. |
| Representação de um campo magnético associado a um condutor retilíneo percorrido por corrente elétrica em seu sentido convencional. |
Observação: É comum utilizarmos vetores com direções perpendiculares a determinados planos de referência. Por isso, quando o vetor campo magnético
estiver entrando no plano de referência usaremos o símbolo: . E quando estiver saindo do plano de referência: . Referências bibliográficas
CARRON, Wilson; GUIMARÃES Oliveira. Física, volume único, Editora Moderna, 2ª edição, SP, 2003.GASPAR, Alberto. Física, volume único, Editora Ática, 1ª edição, SP, 2001.
GRUPO DE REELABORAÇÃO DO ENSINO de FÍSICA. Física 3: Eletromagnetismo/GREF, 3ª edição, Edusp, SP, 1998.
PARANÁ, Djalma Nunes da Silva; SOROCABA, José Roberto Castilho Piqueira; Andrade, Luís Ricardo Arruda de; CARRILHO, Ronaldo. Física, Coleção Anglo, Ensino Médio, vol. 3, SP, 2002.
UENO, Paulo T. Física no cotidiano - Leituras e atividades, vol. 3, Editora Didacta.
UENO, Paulo T. Física, Novo Ensino Médio, Editora Ática, 1ª edição, SP, 2005.
Nenhum comentário:
Postar um comentário