Ondas Eletromagnéticas

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Ondas Eletromagnéticas
Mauricio Rodrigues e William Santos Cunha
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O que vamos aprender?
Hipóteses de Maxwell
Características das ondas eletromagnéticas
Espectro eletromagnético
As ondas de radiofrequência (RF)
As micro-ondas
Luz visível, infravermelho e ultravioleta
Raios X e raios 
Transmissão e recepção de ondas de rádio
Hipóteses de Maxwell
Maxwell estabeleceu algumas leis básicas de eletromagnetismo, baseado nas já conhecidas anteriormente, como a Lei de Coulomb, a Lei de Ampère, a Lei de Faraday, etc.
Na realidade , Maxwell reuniu os conhecimentos existentes e descobriu as correlações que havia em alguns fenômenos, dando origem à teoria de que eletricidade, magnetismo e óptica são de fato manifestações diferentes do mesmo fenômeno físico.
Um campo magnético variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo elétrico.
Um campo elétrico variável é equivalente, nos seus efeitos a um campo magnético.
Hipóteses de Maxwell
O campo magnético é resultado do movimento de cargas elétricas, ou seja, é resultado de corrente elétrica. O campo magnético pode resultar em uma força eletromagnética quando associada a ímãs.
A variação do fluxo magnético resulta em um campo elétrico (fenômeno conhecido por indução eletromagnética, mecanismo utilizado em geradores elétricos, motores e transformadores de tensão).[1] Semelhantemente, a variação de um campo elétrico gera um campo magnético. Devido a essa interdependência entre campo elétrico e campo magnético, faz sentido falar em uma única entidade chamada campo eletromagnético.
Características das Ondas Eletromagnéticas
De acordo com Maxwell, se de um ponto, produzimos um campo elétrico variável, este induzirá um campo magnético que irá variar com o tempo e com a distância ao ponto de início.
O vetor do campo magnético variável, induzira um vetor campo elétrico que também varia com o tempo e com a distância ao campo magnético variável. 
Cada campo varia e gera outro campo que, por ser variável, gera outro campo: e está criada a perturbação eletromagnética que se propaga através do espaço, constituída pelos dois campos em recíprocas induções.
Revisando Ondas longitudinais e ondas transversais 
Longitudinais: são as ondas, cuja direção que vibram as partículas, ou seja, direção de vibração é a mesma que a direção de propagação da onda.
Transversais: são as ondas, cuja direção de vibração das partículas é perpendicular à direção de propagação da onda.
Características das Ondas Eletromagnéticas
A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética depende do meio em que ela se propaga.
    Maxwell mostrou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética, no vácuo, é dada pela expressão:
                                
onde    é a permissividade elétrica do vácuo e     é a permeabilidade magnética do vácuo.
Aplicando os valores de    e de     na expressão acima, encontra-se a velocidade:
                                      
ou
                                                         (valor exato)
que é igual a velocidade da luz. Nisso Maxwell se baseou para afirmar que a luz também é uma onda eletromagnética.
Espectro eletromagnético
 A palavra espectro (do latim "spectrum", que significa fantasma ou aparição) foi usada por Isaac Newton, no século XVII, para descrever a faixa de cores que apareceu quando numa experiência a luz do Sol atravessou um prisma de vidro em sua trajetória.
Atualmente chama-se espectro eletromagnético à faixa de frequências e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas.
As ondas eletromagnéticas no vácuo têm a mesma velocidade , modificando a frequência de acordo com espécie e, consequentemente, o comprimento de onda.
** As escalas de freqüência e comprimento de onda são logarítmicas. 
 
    Fisicamente, não há intervalos no espectro. Podemos ter ondas de qualquer freqüências que são idênticas na sua natureza, diferenciando no modo como podemos captá-las.
    Observe que algumas freqüências de TV podem coincidir com a freqüência de FM. Isso permite algumas vezes captar uma rádio FM na televisão ou captar um canal de TV num aparelho de rádio FM.
Espectro eletromagnético
Sabemos que existe uma variação ampla e continua nos comprimentos de onda e frequência das ondas eletromagnéticas. A relação entre velocidade c de propagação de uma onda eletromagnética no vácuo, o comprimento de onda e a frequência f correspondente é dada por: 
As ondas de radiofrequência (RF)
As ondas utilizadas na transmissão, utilizadas em sinais de tv ou radio, são ondas de radiofrequências. "Ondas de rádio" é a denominação dada às ondas desde freqüências muito pequenas, até 1012 Hz , acima da qual estão os raios infravermelhos.
As ondas de rádio são geradas por osciladores eletrônicos instalados geralmente em um lugar alto, para atingir uma maior região. Logo o nome "ondas de rádio" inclui as microondas, as ondas de TV, as ondas curtas, as ondas longas e as próprias bandas de AM e FM.
   
Ondas de rádio propriamente ditas
    As ondas de rádio propriamente ditas, que vão de 104 Hz a 107 Hz , têm comprimento de onda grande, o que permite que elas sejam refletidas pelas camadas ionizadas da atmosfera superior (ionosfera).
As micro-ondas
As micro-ondas são um tipo de radiação eletromagnética. No espectro abaixo, podemos visualizar vários tipos de radiações eletromagnéticas, entre elas as micro-ondas, que ficam entre a região de infravermelho e ondas de rádio:
As micro-ondas possuem comprimento de onda entre 3 . 105 nm até 3 . 108nm e sua frequência na faixa de 103 a 104 MHz. Não é uma radiação ionizante e também não causa mudanças na estrutura molecular. Porém, ela é capaz de causar migração de íons e rotação de dipolos. Isso significa que ocorre uma interação da onda eletromagnética com o dipolo elétrico da molécula. É isso que explica o aquecimento de alimentos em fornos micro-ondas, pois essas radiações interagem com as moléculas de água presentes no alimento, que são moléculas polares (apresentam dipolo elétrico), bem como com outras moléculas que têm dipolos permanentes ou induzidos. A agitação dessas moléculas é aumentada, absorvendo energia. Porém, quando a radiação cessa, a energia absorvida é emitida na forma de calor, que aquece o alimento.
Luz visível, infravermelho e ultravioleta
Luz visível, infravermelho e ultravioleta
Raios X
Os raios X são radiações eletromagnéticas de alta frequência, produzidas a partir da colisão de feixes de elétrons com metais. Essa radiação não pode ser percebida pelo olho humano, pois está além da frequência máxima distinguida pela visão humana. É importante na Medicina porque possibilita gerar diagnósticos por meio de imagens.
Como são produzidos os raios X?
Em um tubo de raios catódicos, o cátodo, após ser aquecido pela passagem de corrente elétrica, libera elétrons com alta velocidade. Esses elétrons são fortemente atraídos pelo ânodo, no qual acabam colidindo-se, como é possível observar no esquema abaixo:
Quando os elétrons dos átomos pertencentes ao ânodo recebem a energia oriunda dos elétrons em movimento, o resultado é a produção de radiações eletromagnéticas, que são denominadas de raios X.
Os raios X, assim como toda radiação eletromagnética, não precisam de meio de propagação e movem-se na velocidade da luz (3,0 x 108 m/s). Essa radiação é ionizante, sendo assim, ela pode gerar danos ao corpo humano em caso de exposições muito prolongadas. A intensidade dos raios X é inversamente proporcional ao quadrado da distância, portanto, quanto mais distante da fonte, menor será a intensidade dos raios.
Raios 
Os raios gama (γ) são um tipo de radiação eletromagnética formada por fótons altamente energéticos e de alta frequência. Apresentam grande capacidade penetrante, sendo capazes de se propagar a milhares de metros no ar e atravessar chapas de aço com até 15 cm de espessura. Propagam-se no vácuo com a velocidade da luz, cerca de 300.000 km/s.
Os raios gama são produzidospelo decaimento radioativo de núcleos atômicos e foram descobertos pelo físico e químico Paul Villard, em 1900, durante seus experimentos sobre a emissão radioativa do elemento químico Rádio. Foram batizados de radiação gama por Ernest Rutherford, o descobridor das radiações alfa e beta.
Em virtude de sua alta potência, a radiação gama é ionizante, pois tem a capacidade de arrancar os elétrons de seus átomos. Esse processo é particularmente nocivo para os seres vivos, uma vez que esse tipo de interação da radiação com a matéria pode danificar diversos tecidos em nível celular, prejudicando seu processo de replicação.
Raios 
Explosão de Raios Gama
Características dos raios gama
Tipicamente, os raios gama apresentam frequências elevadas, atingindo até 1019 Hz, e comprimentos de onda da ordem de 10-11 m, sendo a radiação mais energética de todo o espectro eletromagnético, com os menores comprimentos de onda. Podem ser observados na Terra por meio de decaimentos nucleares de elementos radioativos, como o Cobalto-60 ou Urânio, fissões nucleares, descargas elétricas atmosféricas ou ainda pela interação dos raios cósmicos com as partículas e moléculas presentes na atmosfera terrestre.
Transmissão e recepção de ondas de rádio
Exercícios
(Fuvest – SP)
Um forno de micro-ondas é projetado para, mediante um processo de ressonância, transferir energia para os alimentos que necessitamos aquecer ou cozer. Nesse processo de ressonância, as moléculas de água do alimento começam a vibrar, produzindo o calor necessário para o cozimento ou aquecimento. A frequência de ondas produzidas pelo forno é da ordem de 2,45.109 Hz, que é  igual à frequência própria de vibração da molécula de água.
a) Qual o comprimento das ondas do forno?
b) Por que os fabricantes de forno micro-ondas aconselham aos usuários a não utilizarem invólucros metálicos para envolver os alimentos?
Resposta
A)
B)
Porque os metais refletem as ondas dentro dos fornos, o que diminui sua eficiência.
Exercícios
A velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é de 3. 108 m/s. Calcule qual a frequência dos raios X, sabendo que sua onda possui comprimento de 0,1 Å
Resposta
A)
Exercícios
Por qual motivo as ondas eletromagnéticas limítrofes receberam os nomes: infravermelho e ultravioleta, quando estão na faixa de luz visível?
Resposta
Infravermelho: significa ondas com frequência abaixo da luz vermelha. Essa luz vermelha é a luz visível de menor frequência.
Ultravioleta: tem esse nome porque possui ondas com frequência acima da luz violeta, que é a luz visível com maior frequência.
Referências
Ramalho, Nicolau e Toledo. O Fundamentos da Física - Vol. 3 - 9a. edição - 2008 - Ed. Moderna
Só física : https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrostatica/cargas.php.