Ondas eletromagnéticas/Radiação eletromagnética/ 2020

Ondas eletromagnéticas.

As ondas eletromagnéticas são uma combinação de um campo elétrico e de um campo magnético, propagam-se simultaneamente através do espaço transportando energia. A luz visível cobre apenas uma pequena parte do espectro de radiação eletromagnética possível. O conceito de ondas eletromagnéticas foi postulado por James Clerk Maxwell e confirmado experimentalmente por Heinrich Hertz. Uma de suas principais aplicações é a radiotransmissão.

Radiação eletromagnética

A radiação eletromagnética são ondas que se auto-propagam pelo espaço, algumas das quais são percebidas pelo olho humano como luz. A radiação eletromagnética compõe-se de um campo elétrico e um magnético, que oscilam perpendicularmente um ao outro e à direção da propagação de energia. A radiação eletromagnética é classificada de acordo com a frequência da onda, que em ordem decrescente da duração da onda são: ondas de rádios, micro-ondas, radiação terahertz (Raios T), radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, Raios-X e Radiação Gama.

Ondas Electromagnéticas

As ondas electromagnéticas primeiramente foram "vistas" por James Clerk Maxwell e depois confirmadas por Heinrich Hertz. Maxwell notou as ondas a partir de equações de electricidade e magnetismo, revelando sua natureza e sua simetria. Faraday mostrou que um campo magnético variável no tempo gera um campo eléctrico, Maxwell mostrou que um campo eléctrico variável com o tempo gera um campo magnético, com isso há uma auto-sustentação entre os campos eléctricos e magnéticos. Em seu trabalho de 1862 Maxwell escreveu: " A velocidade das ondas transversais em nosso meio hipotético, calculada a partir dos experimentos electromagnéticos dos Srs. Kohrausch e Weber, concorda tão exactamente com a velocidade da luz, calculada pelos experimentos óticos do Sr. Fizeau, que é difícil evitar a inferência de que a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenómenos eléctricos e magnéticos". Ou seja, a luz é uma onda electromagnética.

 Propriedades

Os campos eléctrico e magnético obedecem aos princípios da superposição, sendo assim, seus vectores se cruzam e criam os fenómenos da refracção e da difracção. Uma onda electromagnética pode interagir com a matéria e, em particular, perturbar átomos e moléculas que as absorvem, podendo os mesmos emitir ondas em outra parte do espectro. Também, como qualquer fenómeno ondulatório, as ondas electromagnéticas podem interferir entre si. Sendo a luz uma oscilação, ela não é afectada pela estática eléctrica ou campos magnéticos de uma outra onda electromagnética no vácuo. Em um meio não linear como um cristal, por exemplo, interferências podem acontecer e causar o efeito Faraday, em que a onda pode ser dividida em duas partes com velocidades diferentes. Na refracção, uma onda transitando de um meio para outro de densidade diferente, tem alteradas sua velocidade e direcção (caso essa não seja perpendicular à superfície) ao entrar no novo meio. A relação entre os índices de refracção dos dois meios determina a escala de refração medida pela lei de Snell (n1.sen i = n2.sen r , i = incidência, r = refração). A luz se dispersa em um espectro visível porque a luz é reflectida por um prisma por causa da refração. As características das ondas electromagnéticas demonstram as propriedades de partículas e da onda ao mesmo tempo, e se destacam mais quando a onda é mais prolongada.

 Modelo de onda

Um importante aspecto da natureza da luz é a frequência. A frequência de uma onda é sua taxa de oscilação e é medida em hertz, a unidade SI (Sistema Internacional) de frequência, onde um hertz é igual a uma oscilação por segundo. A Luz normalmente tem um espectro de frequências que somados juntos formam a onda resultante. Diferentes frequências formam diferentes ângulos de refração. Uma onda consiste nos sucessivos baixos e altos e a distância entre dois pontos altos ou baixos é chamado de comprimento de onda. Ondas electromagnéticas variam de acordo com o tamanho, de ondas de tamanhos de prédios a ondas gama pequenas menores que um núcleo de um átomo. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento da onda, de acordo com a equação:

onde v é a velocidade da onda, f é a frequência e λ (lambda) é o comprimento da onda. Na passagem de um meio material para o outro, a velocidade da onda muda mas a frequência permanece constante. A interferência acontece quando duas ou mais ondas resultam em um novo padrão de ondas. Se os campos tiverem os componentes nas mesmas direcções, uma onda "coopera" com a outra, porém se estiverem em posições opostas há uma grande interferência.

 Modelo de partículas

Um feixe luminoso é composto por pacotes discretos de energia, caracterizados por serem consistidos em partículas denominadas fotões ^{(português europeu)} ou fótons ^{(português brasileiro)}. A frequência da onda é proporcional à magnitude da energia da partícula. Como os fótons são emitidos e absorvidos por partículas, eles actuam como transportadores de energia. A energia contida em um fóton é calculada pelo equação de Planck-Einstein:

onde E é a energia, h é a constante de Planck, e f é a frequência. Se um fóton for absorvido por um átomo, ele excita um electrão ^{(português europeu)} ou elétron ^{(português brasileiro)}, elevando-o a um alto nível de energia. Se o nível de energia é suficiente, ele pula para outro nível maior de energia, ele pode escapar da atração do núcleo e ser liberado em um processo conhecido como fotoionização. Um elétron que descer ao nível de energia menor emite um fóton de luz igual a diferença de energia, como os níveis de energia em um átomo são discretos, cada elemento tem suas próprias características de emissão e absorção.

 Espectro Eletromagnético

Espectro Eletromagnético é classificado normalmente pelo comprimento da onda, como as ondas de rádio, as micro-ondas, a radiação infravermelha, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até a radiação gama. O comportamento da onda eletromagnética depende do seu comprimento de onda. Frequências altas são curtas, e frequências baixas são longas. Quando uma onda interage com uma única partícula ou molécula, seu comportamento depende da quantidade de fótons por ela carregada. Através da técnica denominada Espectroscopia óptica, é possível obter-se informações sobre uma faixa visível mais larga do que a visão normal. Um laboratório comum possui um espectroscópio pode detectar comprimentos de onde de 2 nm a 2500 nm. Essas informações detalhadas podem informar propriedades físicas dos objetos, gases e até mesmo estrelas. Por exemplo, um átomo de hidrogênio emite ondas em comprimentos de 21,12 cm. A luz propriamente dita corresponde à faixa que é detectada pelo olho humano, entre 400 nm a 700 nm (um nanômetro vale 1,0×10−9 metros). [As ondas de rádio]são formadas de uma combinação de amplitude, frequência e fase da onda com a banda da frequência.

 

Espectro eletromagnético com o espectro de luz visível indicado

 Interação da radiação com a matéria

O efeito biológico mais óbvio das ondas eletromagnéticas se dá em nossos olhos: a luz visível impressiona as células do fundo de nossa retina, causando a sensação visual. Porém, existem outros efeitos mais sutis.Sabe-se que em determinadas frequências, as ondas eletromagnéticas podem interagir com moléculas presentes em organismos vivos, por ressonância. Isto é, as moléculas cuja frequência fundamental seja a mesma da onda em questão "captam" esta oscilação, como uma antena de TV. O efeito sobre a molécula depende da intensidade (amplitude) da onda, podendo ir o simples aquecimento à modificação da estrutura molecular. O exemplo mais fácil de ser observado no dia-a-dia é o de um forno de micro-ondas: as micro-ondas do aparelho, capazes de aquecer a água presente nos alimentos, têm exatamente o mesmo efeito sobre um tecido vivo. Os efeitos da exposição de um animal a uma fonte potente de micro-ondas podem ser catastróficos. Por isso se exige o isolamento físico de equipamentos de telecomunicações que trabalham na faixa de micro-ondas, como as estações rádio-base de telefonia celular.

Mas assim como as micro-ondas afetam a água, ondas em outra frequência de ressonância podem afetar uma infinidade de outras moléculas. Já foi sugerido que a proximidade a linhas de transmissão teria relações com casos de câncer em crianças, por via de supostas alterações no DNA das células, provocadas pela prolongada exposição ao campo eletromagnético gerado pelos condutores. Também já se especulou se o uso excessivo do telefone celular teria relação com casos de câncer no cérebro, pelo mesmo motivo. Até hoje, nada disso foi provado.Também já foram feitas experiências para analisar o efeito de campos magnéticos sobre o crescimento de plantas, sem nenhum resultado conclusivo.Existem equipamentos para a esterilização de lâminas baseados na exposição do instrumento a determinada radiação ultravioleta, produzida artificialmente por uma lâmpada de luz negra.

 Aplicações tecnológicas

Entre inúmeras aplicações destacam-se o rádio, a televisão, radares, os sistemas de comunicação sem fio (telefonia celular e comunicação wi-fi), os sistemas de comunicação baseados em fibras ópticas e fornos de micro-ondas.