Laboratório de Paleomagnetismo IAG - USP

Seminário "E-mail": Ruídos no Paleomagnetismo

(Parte 1 - 11/99)

No sentido mais amplo, ruído é tudo que atrapalha. Isto engloba tanto as noções mais conhecidas de ruído: chiado de um sinal, incerteza de uma medida ou “barulho” sonoro, quanto outras menos ortodoxas como: poluição e erro humano.

Olhando nossa relação com os ruídos por um certo ângulo, perceberemos que no laboratório de paleomagnetismo os equipamentos são grandes vítimas do ruído, mas também grandes causadores dele. Já um aspecto diferente dessa relação surge quando focalizamos o processamento das informações paleomagnéticas, pois cada etapa (desde o trabalho de campo até a publicação dos resultados) injeta um pouco do “benedito” nelas.

Como diz o ditado: durma-se com um barulho destes! Já que não se pode eliminar totalmente o ruído, cumpre a todo bom paleomagnetista (1) detectar suas causas, (2) estimar o seu valor e (3) tentar minimizar os seus efeitos. Disto trata este seminário, que está mais ou menos dividido em 2 partes: “hardware” (equipamentos) e “software” (procedimentos).

Parte 1. Ruído que entra e ruído que sai dos equipamentos

O “Paleo” logo vai mudar de casa, da Água Funda para a Cidade Universitária. Para cada um dos nossos equipamentos, teremos que definir detalhes de localização, posicionamento, necessidades especiais etc. Portanto, agora é o momento oportuno de analisar o mais amplamente possível os ruídos de cada equipamento em termos: (1) dos efeitos do ambiente nele e (2) dos efeitos dele no ambiente. Assim teremos um bom panorama das “condições de contorno” necessárias para uma boa mudança.

1.1. Furadeiras, serras e moedores motorizados

A infra-estrutura que temos na Água Funda inclui furadeiras portáteis (a gasolina, usadas no campo), além de serras de bancada e 1 furadeira de bancada (todas estas elétricas). Tem também um moedor elétrico que a gente usa mas eu não sei se é nosso.

Quanto aos efeitos que recebem do ambiente diria que todos são equipamentos rústicos, que podem ser operados em condições desfavoráveis de: temperatura, umidade, rede elétrica não estabilizada, sujeira etc.

Basta que não lhes falte água corrente (temperada com óleo solúvel, se possível), energia (gasolina + óleo-2-tempos ou eletricidade) e uma manutenção (regulagem) de vez em quando. O moedor nem água usa.

Já os efeitos que elas provocam no ambiente são bem mais importantes. Na atmosfera jogam ruídos sonoros bem fortes (por que não usar protetores auriculares?) e ruídos eletromagnéticos dos motores (faíscas das velas e escovas) além de, no caso das furadeiras a gasolina, fumaça e vapores inflamáveis (quando armazenadas com combustível). Para o usuário podem lançar estilhaços nos olhos, derrubar corpos pesados nos pés e provocar queimaduras (do aquecimento por atrito) ou choques elétricos. Nas amostras podem provocar desde remagnetizações e mudanças químicas, pois injetam aquecimento e/ou umidade, até mudanças na estrutura do grão (caso do moedor). Também podem contaminar as mesmas com resíduos de amostras anteriores. E ainda tem os efeitos do liga-desliga dos motores elétricos na rede de eletricidade, que causam perturbações na alimentação de todos os outros equipamentos. É recomendável manter todos os motores (inclusive geladeiras, refrigeradores de ar, compressores etc) fora da rede estabilizada.

1.2. Martelos e moedores mecânicos

Com exceção de algum enferrujamento (umidade excessiva) e contaminação, que aliás só prejudicam se passarem para uma próxima amostra, os efeitos que recebem do ambiente são nulos. São mais rústicos ainda que seus primos motorizados.

Compartilham com os motorizados muitos dos efeitos que provocam no ambiente, exceto os referentes à energia motriz, obviamente. Ressalte-se os danos ao usuário (musculares, ósseos, estilhaços) e um maior potencial de contaminação (inclusive por material da ferramenta) das amostras, para as quais temos também um novo fator remagnetizante: a energia das ondas de choque. (Talvez induzam até alguma anisotropia.)

1.3. Marcadores e tintas

Os efeitos que recebem do ambiente se restringem apenas a algum ressecamento e contaminação.

Os efeitos que provocam no ambiente são mais numerosos, pois: possuem solventes tóxicos e inflamáveis; podem ser magnéticos (contaminação); saem com o manuseio e/ou aquecimento; nota-se que pintar amostras é um processo lento, que atrasa todos os outros (seria um ruído cronométrico? cronológico? ou talvez crônico? Sei lá, mas mudanças nesta estratégia valem um estudo).

1.4. Desmagnetizadores alternados

Campos magnéticos DC (contínuos), mesmo tão fracos quanto o da Terra, estão entre os piores efeitos que os desmagnetizadores alternados recebem do ambiente, demandando blindagem de múltiplas camadas e ainda orientação preferencial leste-oeste p/ as “portas” de acesso ao interior. (O forte sinal AC (alternado) gerado p/ desmagnetizar as amostras é o responsável por fornecer energia p/ que os domínios “capturem” estes campos DC.)

Temos muitos outros fatores ainda: rede elétrica instável perturba a “pureza” do sinal AC; excesso de uso a campos altos e/ou em ambientes mal ventilados provoca superaquecimento; resíduos de amostra causam contaminação e desgaste; amostras tortas deformam e entopem os porta-amostras; pancadas e ímãs próximos magnetizam a blindagem; materiais condutores de eletricidade muito próximos sofrem indução de corrente e geram contra-campos AC.

Um erro comum do usuário é “esquecer” de ajustar corretamente o campo que deseja aplicar. Isto pode sobrecarregar o equipamento, inutilizar o registro presente na amostra, ou tudo isso junto!

Típico exemplo de ruído que provocam no ambiente é um campo magnético oscilante muito forte nas suas proximidades. A boa notícia é que, por ser dipolar, ele cai rapidamente com a distância (com o cubo, na verdade). A má notícia é que, por ser gerado dentro da blindagem, não é atenuado por ela. Além disso os desmagnetizadores alternados também: injetam giromagnetismo (perpendicular ao eixo) e magnetização anistérica (paralela ao eixo) na amostra; afetam a rede elétrica (drenam muita corrente) quando em operação (normalmente usam 220V); apresentam risco de choque elétrico (geram alta tensão); podem contaminar uma amostra com os resíduos da outra; afetam cartões de banco e talvez até marca-passos.

1.5. Desmagnetizadores térmicos

Efeitos que recebem do ambiente: são particularmente sensíveis a campos DC externos no resfriamento => pedem blindagens orientadas leste-oeste ou bobinas de Helmholtz (de preferência ambas); ímãs nas proximidades e pancadas podem magnetizar a blindagem; corpos estranhos no interior podem provocar “curtos” na resistência e/ou alterações na temperatura sentida pelas amostras, além de campos DC espúrios; obstáculos físicos na entrada ou na saída do forno atrapalham o trânsito das amostras; obstrução da ventilação ou ambientes muito quentes atrasam o resfriamento. Outro detalhe importante: trabalhar seguidamente no limite superior (800°C) é prejudicial para os materiais do forno.

Efeitos que provocam no ambiente: geram mudanças químicas nas amostras, além da onipresente contaminação; queimaduras e pó de lã de vidro podem atingir as mãos do usuário; alguns sistemas de refrigeração são bem barulhentos, “sonoramente” falando; mau cheiro e calor emitidos necessitam ventilação; o liga-desliga do controle de temperatura gera pulsos na rede elétrica, perturbando-a (vale ficarem fora da rede estabilizada); são campeões em destruir a pintura das amostras.

1.6. Medidores de suscetibilidade e respectiva anisotropia

Efeitos que recebem do ambiente: são muito sensíveis a mudanças de temperatura (ligar e esperar um pouco que se estabilize é uma boa sugestão); mais sensíveis ainda a mudanças de posição da bobina sensora, que deve ficar firmemente presa à mesa durante a operação; durante a medida, ou melhor, depois de já ter medido o zero, qualquer massa ferrosa que se mexa altera o resultado; pulseiras e anéis metálicos devem ser evitados durante o manuseio; amostras moídas podem vazar; amostras tortas podem fazer um bom estrago com o porta-amostras, além de não permitirem um posicionamento exato; quaisquer deformações na amostra também tornam a medida de suscetibilidade por volume imprecisa (portanto, é melhor trabalhar por massa. Que tal adotar o “por massa” como padrão do laboratório?); usuários pode se confundir ao selecionar atenuação e/ou posicionar as amostras para medida.

Podem parecer inócuos quanto aos efeitos que provocam no ambiente, já que: (1) não agridem (cortando, aquecendo etc) a amostra; (2) não forçam a rede elétrica; (3) não geram altos campos magnéticos e (4) não produzem barulho. Entretanto, medir suscetibilidade nos obriga a aplicar um campo (alternado, geralmente) na amostra, para ver sua resposta. Por menor que o campo seja (normalmente é da ordem do campo da Terra, 0.5 mT), sempre uma fração dos domínios da amostra vai ser afetada. Se é uma fração importante ou não depende da amostra. De todo modo, quando acompanhamos um tratamento térmico a suscetibilidade deve ser medida depois da magnetização. Ainda vale notar os seguintes efeitos: alguns circuitos “derivam” um pouco, necessitando constante calibração; como é uma medida rápida e muito executada, o constante entra-e-sai de amostras da bobina favorece tanto a contaminação como a deterioração da pintura; alguns medidores são um pouco lentos (principalmente em alta sensibilidade), o que prejudica a interatividade via computador.

1.7. Magnetômetros “fluxgate” de amostra e de campo axial

Efeitos que recebem do ambiente: usuários erram ao atenuar e também ao posicionar amostras para medir (o DIGICO não tem este problema com a atenuação, porque nele ela é automática. Não seria útil que isso ocorresse em todos, e que a troca de posições também fosse automática?); campos DC “altos” (da ordem do da Terra) forçam os circuitos a trabalhar atenuados, baixando a sensibilidade => vale blindar esses campos; no caso de medidas de amostras, essa blindagem é ainda mais útil, já que a magnetização momentânea induzida pelos campos DC às vezes é muito maior do que a remanescente na amostra, perturbando a medição desta última; amostras “faltando pedaços” prejudicam a precisão das medidas por volume => melhor medir por massa (apesar de não ser o padrão); amostras tortas prejudicam a precisão do posicionamento, além de estragarem os porta-amostras; ter uma rede elétrica estabilizada sempre é bom.

Efeitos que provocam no ambiente: geram um pequeno ruído eletromagnético na faixa dos kHz, fraco demais para interferir em transmissões de rádio (mas que deve ser levado em conta se forem usados a bordo de aviões); todos os circuitos “fluxgate” apresentam uma certa deriva, demandando calibração e um tempo de aquecimento antes do uso; forçam o usuário a assumir posições desconfortáveis se estiverem mal situados e também a caminhar muito, se estiverem longe dos desmagnetizadores; por ser uma medida tomada por partes (por planos), exige a participação de uma calculadora ou computador a totalização dos resultados; os equipamentos ingleses não têm nem previsão para usar 110V, necessitam 220V ou um transformador não usual.

1.8. Magnetômetro criogênico

Como a origem grega da palavra “criogênico” significa “aquele que gera frio”, acredito que o nome correto seja “criostático” (aquele que está frio) ou “criogenado” (aquele que recebe o frio de outro). Mas como em geociências ninguém liga para o nome correto das coisas mesmo...

Efeitos que recebe do ambiente: com seu escudo de chumbo supercondutor, é surpreendentemente imune a campos AC e DC externos; temperatura e ruído térmico também afetam pouco a estabilidade do sistema, e apenas na parte de amplificação final (parte “quente”); em contrapartida, problemas de contaminação se tornam importantes frente à alta sensibilidade do sistema (o principal contaminante são as fitas adesivas, que devem ser evitadas); o posicionamento exato da amostra no braço mecânico muitas vezes não é atingido devido a amostras tortas, marcação imprecisa ou deslocada, descuido do usuário etc. Na hora da recarga de hélio, barreiras físicas são um problema sério a considerar.

Efeitos que provoca no ambiente: ronco, calor e correntes de ar do sistema de refrigeração, que demandam instalação externa do mesmo; a constante evaporação do hélio líquido necessita boa ventilação pois, apesar de não ser tóxico, o gás hélio pode sufocar; queimaduras no usuário por frio ou calor excessivos (pelo acessório arma de calor); acúmulo de gelo no interior, necessitando remoção diária; criogenia exige todo um ferramental que não dispomos para manutenção e reparos; o movimento rápido do braço mecânico pode deslocar uma amostra mais solta de sua posição; no modo automático o sistema não é capaz de medir +z e -z de uma amostra (para fazer a média). A perda do vácuo da isolação e conseqüente explosão do sistema, embora pouco prováveis, necessitam medidas preventivas devido à gravidade das conseqüências.

1.9. Balanças de Curie por magnetização e por suscetibilidade

Efeitos que recebem do ambiente: falta de água e/ou eletricidade que a faça circular; na balança por magnetização a estabilidade depende de que o campo não varie => rede estabilizada é fundamental; na balança por suscetibilidade acrescente-se ainda os cuidados de não variar a temperatura ambiente nem a posição de materiais ferrosos (p. ex. cadeiras e ferramentas) ao seu redor durante todo o ciclo (o zero é tomado somente no início e no fim do mesmo); na balança por magnetização o sensor de translação é muito sensível a ruídos eletromagnéticos do tipo produzido por motores; o efeito das correntes de ar nela também é importante, apesar de possuir um amortecedor a óleo que elimina a maioria das trepidações mecânicas que recebe; a combinação água + calor sempre foi sinônimo de corrosão. Os piores descuidos do usuário estão ligados ao superaquecimento (falta d’água), pois podem inutilizar o equipamento.

Efeitos que provocam no ambiente: a balança por magnetização possui um eletroímã parecido com o do magnetômetro de amostra vibrante, que além dos altos campos DC e o consumo de corrente elétrica ainda tem a necessidade extra de água circulante para refrigeração, já que permanece ligado por longos períodos; seus termopares e frascos são difíceis de limpar completamente; o material que começa um ciclo nunca é igual ao que termina, pois além das alterações químicas, o calor produz também perda de voláteis (água), sinterização, fracionamento dos grãos etc; inomogeneidade térmica (maior em ciclos mais rápidos) pode levar a valores falsos de temperatura; mau cheiro e calor eliminados demandam boa ventilação; risco de queimaduras para o usuário; a necessidade de tubulações de água é um complicador na localização e também na mobilidade destes sistemas; a quebra e deterioração de componentes (principalmente quartzo e lã de vidro) exige constante reposição dos mesmos; o fato de serem equipamentos automáticos não elimina a atenção constante do usuário, pois não possuem dispositivos de proteção suficientes. 2 últimos detalhes específicos da balança por magnetização: o sensor de translação é o circuito que mais deriva no laboratório, necessitando um longo período de aquecimento e estabilização; o porta-amostra adere facilmente à parede do forno, inutilizando o ciclo.

1.10. Magnetômetro de amostra vibrante (VSM)

Para todo equipamento sensível como é o caso do VSM, a contaminação é sempre um fator importante a incluir, entre os efeitos que recebe do ambiente. Além disso, o VSM é o equipamento mais suscetível a campos eletromagnéticos, já que seu sensor é uma verdadeira “antena”. Qualquer campo que vibre na freqüência da amostra é sentido como pertencente a ela. Cuidado particularmente para que a vibração da mesma não se propague para o eletroímã, cujo campo é ordens de magnitude superior. Finalizando: amostras muito soltas no porta-amostras produzem sinais irregulares e de amplitude mais baixa que o esperado.

Efeitos que provoca no ambiente: fortes campos DC nas proximidades, mas que caem rapidamente com a distância (em poucos metros desaparecem); produz um dreno grande e variável de corrente quando em operação; o ciclo é automático mas pode falhar a qualquer momento, necessitando vigilância constante; em amostras maciças pode induzir uma remanescência impossível de desmagnetizar, já que atinge 1 T (DC) contra 0.3 T (AC) do nosso desmagnetizador alternado mais potente; medindo remanescência, a vibração pode desorientar mecanicamente os grãos da amostra, reduzindo a resposta líquida.

1.11. Um equipamento chamado usuário

Os efeitos que recebe do ambiente, além de poderem prejudicar sua saúde, tornam o usuário mais propenso a errar. Vejamos alguns: o posicionamento dos objetos, que deveria respeitar a ergonomia de modo a evitar contorções da coluna vertebral e deslocamentos desnecessários (inclusive de uma sala para outra); o nível de barulho, que não basta estar dentro dos valores permitidos, já que um ambiente (sonoramente) ruidoso cansa muito mais; os serviços repetitivos como a marcação de amostras são desmotivantes e induzem ao erro, devendo ser minimizados. Uma última questão: por mais desnecessários que possam parecer, ar fresco e sol fazem muita diferença para nós, pobres mortais.

Dentre os efeitos que provoca no ambiente, alguns já foram falados em outros itens, como os erros na utilização dos equipamentos e a movimentação de objetos ferrosos durante as medidas. Acrescentemos a eles as alterações de temperatura (mexendo no ar condicionado ou abrindo/fechando portas), o desconhecimento dos limites dos aparelhos (superior: aplicando valores acima do permitido e inferior: medindo sinais abaixo da sensibilidade) e principalmente a não-preocupação com os ruídos (razão principal deste seminário).

(parte 2)