Ondas eletromagnéticas: o que são e como são produzidas (c / exemplos)

As ondas eletromagnéticas (EM) estão zunindo ao seu redor o tempo todo, e seu estudo representa toda uma área crucial da física. Compreender, classificar e descrever as várias formas de radiação eletromagnética ajudou a NASA e outras entidades científicas empurram a tecnologia humana para dentro e para além de um território previamente inexplorado, muitas vezes de forma dramática maneiras. No entanto, apenas uma pequena fração das ondas EM são visíveis ao olho humano.

Na física, uma certa quantidade de matemática é inevitável. Mas o bom nas ciências físicas é que a matemática tende a ser logicamente "organizada" - isto é, uma vez que você esteja familiarizado com as equações básicas da mecânica clássica (ou seja, geralmente grandes e visíveis coisas se movendo), as equações do eletromagnetismo parecem familiares, apenas com diferentes variáveis.

Para melhor compreender os campos e ondas eletromagnéticas, você deve ter um conhecimento básico das equações de Maxwell, derivadas por James Clerk Maxwell na segunda metade do século XIX. Essas equações, das quais a solução geral para as ondas EM é derivada, descrevem a relação entre eletricidade e magnetismo. No final, você também deve entender o que significa "ser" uma onda - como

As equações de Maxwell formalizam a relação entre eletricidade e magnetismo e descrevem todos esses fenômenos. Com base no trabalho de físicos como Carl Gauss, Michael Faraday e Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell descobriu que as equações produzidas por esses cientistas relacionando campos elétricos e magnéticos eram fundamentalmente corretas, mas imperfeita.

Se você não está familiarizado com cálculo, não desanime. Você pode acompanhar muito bem sem resolver nada. Lembre-se de que a integração nada mais é do que uma forma inteligente de encontrar a área sob uma curva em um gráfico, adicionando fatias incrivelmente minúsculas dessa curva. Além disso, embora as variáveis ​​e os termos possam não significar muito no início, você os consultará repetidamente ao longo do artigo, pois as "luzes" continuam a brilhar para você neste tópico vital.

​Primeira equação de Maxwellé derivado deLei de Gausspara campos elétricos, que afirma que o fluxo elétrico líquido através de uma superfície fechada (como a parte externa de uma esfera) é proporcional à carga interna:

Aqui, o triângulo de cabeça para baixo ("nabla" ou "del") representa um operador gradiente tridimensional,ρé a densidade de carga por unidade de volume eε​₀ é o elétricopermissividade do espaço livre​.

​Segunda equação de Maxwellé a lei de Gauss para o magnetismo, em que, ao contrário do caso com campos elétricos, não existe tal coisa como uma "carga magnética pontual", ou ummonopolo magnético. Em vez disso, as linhas do campo magnético aparecem como loops fechados. O fluxo magnético líquido através de uma superfície fechada será sempre 0, o que resulta diretamente dos campos magnéticos serem dipolares.

A lei afirma que todas as linhas de um campo magnéticoBentrar em um determinado volume no espaço deve sair desse volume em algum ponto, e esse é o próximo fluxo magnético através da superfície é, portanto, zero.

​Terceira equação de Maxwell(Lei da indução magnética de Faraday) descreve como um campo elétrico é criado por um campo magnético variável. O engraçado "∂" significa "derivada parcial" e implica flutuação. Símbolos estranhos à parte, a relação mostra que uma mudança no fluxo elétrico resulta e obriga anão constantecampo magnético.

​Quarta equação de Maxwell(a lei de Ampère-Maxwell) é a fonte para os outros, para a correção de Maxwell ao fracasso de Ampère em levar em conta as correntes não constantes onduladas através das outras três equações com fatores de correção de seus ter. A equação é derivada da lei de Ampère e descreve como um campo magnético é gerado por uma corrente (carga em movimento), um campo magnético variável ou ambos.

Aqui,μ​₀ é a permeabilidade do espaço livre. A equação mostra como o campo magnético dentro de uma determinada área ao redor da corrente em um fioJmuda com aquela corrente e com o campo elétricoE​.

Depois que Maxwell formalizou seu entendimento de eletricidade e magnetismo com suas equações, ele procurou várias soluções para as equações que poderiam descrever novos fenômenos.

Uma vez que um campo elétrico variável gera um campo magnético e um campo magnético variável gera um campo elétrico, Maxwell determinou que uma onda eletromagnética autopropagada poderia ser gerado. Usando suas equações, ele determinou que a velocidade de tal onda teria uma velocidade igual à velocidade da luz. Isso acabou por ser nenhuma coincidência e levou à descoberta de que a luz é uma forma de radiação eletromagnética!

Em geral, as ondas são oscilações em um meio que transferem energia de um lugar para outro. As ondas têm comprimento de onda, período e frequência associados a elas. A velocidadevde uma onda é o seu comprimento de ondaλvezes sua frequênciafou λf = v.

A unidade SI de comprimento de onda é o metro, embora os nanômetros sejam encontrados com mais frequência porque são mais convenientes para o espectro visível. A frequência é medida em ciclos por segundo (s^-1) ouhertz(Hz), após Heinrich Hertz. O períodoTde uma onda é quanto tempo leva para completar um ciclo, ou 1 / f.

Para o caso de uma onda EM, ao contrário da situação com ondas mecânicas,vé constante em todas as situações, o que significa queλvariainversamentecomf. Ou seja, frequências mais altas implicam comprimentos de onda mais curtos para um determinadov. "Alta frequência" também implica "alta energia"; isto é, energia eletromagnéticaEem joules (J) é proporcional af, por meio de um fator chamado constante de Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• A equação para uma onda éy = A sin (kx - ωt), OndeUMAé amplitude,xé o deslocamento ao longo do eixo x,ké o número de onda 2π / k, e

​ω​

é a frequência angular 2π / T.

Uma onda eletromagnética consiste em um campo elétrico (E) onda oscilando em um plano perpendicular (em ângulos retos) a um campo magnético (B) aceno. Se você se imaginar como uma onda EM movendo-se ("propagando-se") por um piso nivelado, oEcomponente de onda oscila em um plano vertical através de seu corpo e oBa onda oscila dentro do piso horizontal.

Visto que a radiação eletromagnética atua como uma onda, qualquer onda eletromagnética em particular terá uma frequência e um comprimento de onda associados a ela. Outra restrição é que, uma vez que a velocidade das ondas eletromagnéticas é fixada em c = 3 × 10⁸ m / s, a velocidade com que a luz viaja no vácuo (também usada para a velocidade da luz no ar para aproximações). A frequência mais baixa está, portanto, associada a comprimentos de onda mais longos e vice-versa.

As ondas EM não requerem um meio como água ou gás através do qual se propaguem; portanto, eles podem atravessar o vácuo do próprio espaço vazio na velocidade mais rápida em todo o universo!

As ondas eletromagnéticas são produzidas em uma enorme gama de frequências e comprimentos de onda. Começando com baixa frequência (energia mais baixa) e, portanto, comprimento de onda mais longo, os vários tipos de radiação EM são:

• ​Ondas de rádio(cerca de 1 me mais): A radiação EM de radiofrequência abrange cerca de 20.000 a 300 bilhões de Hz. Estes "voam" não só ao redor do mundo mas nas profundezas do espaço, e seu aproveitamento por Marconi na virada do século 20 revolucionou o mundo da humanidade comunicação.
• ​Microondas(cerca de 1 mm a 1 m): Eles também podem penetrar no espaço, mas são úteis em aplicações meteorológicas porque também podem penetrar nas nuvens.
• ​Ondas infravermelhas(700 nm a 1 mm): A radiação infravermelha, ou "luz infravermelha", é o material dos óculos de "visão noturna" e outros equipamentos de aprimoramento visual.
• ​Luz visível(400 nm a 700 nm): As ondas de luz no espectro visível abrangem uma pequena fração da frequência das ondas eletromagnéticas e da faixa de comprimento de onda. Afinal, seus olhos são o produto bastante conservador do que a natureza precisa que eles colham para a sobrevivência diária.
• ​Luz ultravioleta(10 nm a 400 nm): A radiação ultravioleta é o que causa queimaduras solares e provavelmente doenças malignas da pele também. No entanto, camas de bronzeamento não existiriam sem ele.
• ​raios X(cerca de 0,01 nm a 10 nm): Esta radiação de alta energia é uma incrível ajuda de diagnóstico na medicina, mas isso deve ser equilibrado com seu potencial de causar danos físicos a si próprios em exposições.
• ​Raios gama(<0,01 nm): Como você esperaria, esta é uma radiação de energia muito alta e, portanto, potencialmente letal. Se não fosse pela atmosfera da Terra bloqueando a maior parte dela, a vida em sua forma atual não teria sido capaz de prosseguir há bilhões de anos. Eles são usados ​​para tratar tumores especialmente agressivos.

Porque a radiação eletromagnética tem as propriedades de uma onda e agirá como uma onda quando medida como tal, mas também agirá como uma partícula (chamada defóton) quando medido como tal, dizemos que tem dualidade partícula-onda.

Uma corrente constante produz um campo magnético constante, enquanto uma corrente variável induz um campo magnético variável. Se a mudança for constante e cíclica, as ondas (e campos associados) oscilam ou "balançam" rapidamente para a frente e para trás em um plano.

O mesmo princípio essencial funciona ao contrário: um campo magnético oscilante induz um campo elétrico oscilante.

As ondas eletromagnéticas resultam dessa interação entre os campos elétricos e magnéticos. Se uma carga se move para frente e para trás ao longo de um fio, ela cria um campo elétrico variável, que por sua vez cria um campo magnético variável, que então se propaga como uma onda EM, capaz de emitir fótons. Este é um exemplo de duas ondas transversais (e campos) que se cruzam para formar outra onda transversal.

• Átomos e moléculas podem absorver e emitir frequências específicas de radiação eletromagnética consistentes com seus níveis de energia quantizados associados.

As pessoas costumam confundir esses dois tipos de ondas simplesmente porque estão familiarizadas com a audição de rádio. Mas as ondas de rádio são, como você sabe, uma forma de radiação eletromagnética. Eles viajam na velocidade da luz e transmitem informações da estação de rádio para o seu. No entanto, essa informação é então convertida no movimento de um alto-falante, que produz ondas sonoras, que sãolongitudinalondas no ar (como aquelas em um lago depois de ser perturbado por uma pedra jogada).

• As ondas sonoras viajam a aproximadamente 343 m / s no ar, o que é muito mais lento do que as ondas de rádio, e requerem um meio para viajar.

Um fenômeno chamado de mudança de frequência Doppler na radiação EM permite que os astrofísicos digam se os objetos no espaço estão se movendo em nossa direção ou longe de nós, porque um objeto estacionário emitindo ondas EM mostrará um padrão diferente daquele que está se movendo, em relação a um observador fixo.

Uma técnica chamada espectroscopia permite que os químicos determinem a composição dos gases. A atmosfera da Terra protege a biosfera da radiação ultravioleta mais prejudicial e de outras radiações de alta energia, como os raios gama. Os fornos de microondas para cozinhar alimentos têm permitido que estudantes universitários preparem refeições em seus dormitórios. Os sinais de telefone celular e GPS são uma adição relativamente recente, mas já crítica, à lista de tecnologias que dependem da energia EM.