Ondas Eletromagnéticas

Juan Gongora Lima De Oliveira, Vitor Daniel Nogueira Souza e Vitor Hugo Araújo Motta

    As ondas eletromagnéticas são formadas pela combinação de campos elétricos e magnéticos. Elas foram descritas por um conjunto de equações formulado por James C. Maxwell.

    As ondas eletromagnéticas são resultados das combinações de campos elétricos com campos magnéticos. Foi graças à descoberta das propriedades dessas ondas que hoje em dia podemos ouvir músicas ou notícias nos rádios, assistir a programas de TV, aquecer alimentos no micro-ondas, acessar à internet e mais uma infinidade de coisas.

    Foi o físico escocês James C. Maxwell, no séc. XIX, o primeiro a demonstrar que a oscilação de uma carga elétrica dá origem a campos magnéticos. Estes, por sua vez, dão origem a campos elétricos, assim como a variação de fluxo de campos elétricos dá origem a campos magnéticos. Essa interação é responsável pelo surgimento das ondas eletromagnéticas.

    Maxwell partiu das Leis de Ampere, Faraday e Coulomb para relacionar diversas equações que atualmente são conhecidas como equações de Maxwell. Essas equações permitiram que ele fizesse a previsão da existência das ondas eletromagnéticas. A confirmação da existência dessas ondas foi feita apenas depois de nove anos pelo físico alemão Heinrich Hertz, que conseguiu obter ondas eletromagnéticas com todas as características já descritas por Mawell, que morreu antes de ver a confirmação das suas teorias.

    Uma das principais contribuições de Maxwell foi a de que a velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo era igual a 3.10⁸ m/s (300 000 km/s), que era a mesma velocidade já obtida para a propagação da luz. Essa descoberta fez com que Maxwell suspeitasse que a luz era um tipo de onda eletromagnética, o que foi confirmado por Hertz alguns anos mais tarde.

    Uma evidência de que a luz é uma onda eletromagnética é o fato de a luz do sol chegar até a Terra apesar da longa distância e da inexistência de um meio material no espaço de propagação.

    Em face de todas as suas contribuições, Maxwell é considerado tão importante para o eletromagnetismo como Isaac Newton é para a mecânica.

    Características das ondas eletromagnéticas

    As características das ondas eletromagnéticas são as seguintes:

• São formadas pela combinação de campos elétricos e magnéticos variáveis;

• O campo elétrico e o campo magnético são perpendiculares;

• O campo elétrico e o magnético são perpendiculares à direção de propagação, o que significa que são ondas transversais;

• A velocidade de propagação dessas ondas no vácuo é c = 3 . 10⁸ m/s;

• Ao propagar em meios materiais, a velocidade obtida é menor do que quando a propagação ocorre no vácuo.

Espectro eletromagnético

    O espectro eletromagnético é onde estão representadas as faixas de frequências ou comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas, como a luz visível, as micro-ondas, as ondas de rádio, radiação infravermelha, radiação ultravioleta, raios x e raios gama.

    Todas essas ondas propagam-se à mesma velocidade quando estão no vácuo.

    O comprimento de uma onda eletromagnética é que determina seu comportamento. Ondas de alta frequência são curtas, e as de baixa frequência são longas. Se a onda interage com uma única partícula ou molécula, seu comportamento depende da quantidade de fótons que ela carrega.

Faixa visível ao olho humano

     Desde a elaboração das leis de Maxwell, por James C. Maxwell, até os dias atuais têm ocorrido grandes evoluções no ramo de estudo das ondas eletromagnéticas. Hoje já se tem conhecimento de vários tipos de ondas eletromagnéticas, mas todas elas pertencem à mesma natureza, ou seja, são constituídas de campos elétricos e campos magnéticos. O espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética que contém as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, os raios X, a radiação gama, os raios violeta e a luz visível ao olho humano.

    De forma geral, os vários tipos de ondas eletromagnéticas diferem quanto ao comprimento de onda, fato esse que modifica o valor da frequência, e também da forma com que elas são produzidas e captadas, ou seja, de qual fonte elas originam e quais instrumentos são utilizados para que se possa captá-las. No entanto, todas elas possuem a mesma velocidade, ou seja, v = 3,0 x 10⁸m/s e podem ser originadas a partir da aceleração de cargas elétricas.

    Ondas de Rádio

    As ondas de rádio são um tipo de radiação eletromagnética conhecido como ondas hertzianas com frequência entre 100 Hz a 109 Hz.

As ondas eletromagnéticas são radiações formadas por dois campos, o elétrico e o magnético, que são perpendiculares entre si e que oscilam simultaneamente na direção da propagação da radiação, variando de forma senoidal. A seguir, temos um espectro eletromagnético que indica os diversos tipos de radiações eletromagnéticas com que interagimos no cotidiano:

    O que diferencia essas ondas eletromagnéticas são os comprimentos e as frequências delas. O comprimento de uma onda corresponde à distância entre duas cristas ou duas depressões e é representado por λ (lambda). Quanto maior o comprimento da onda, menor é a sua energia. Já a frequência (f) indica o número de vezes que a onda eletromagnética oscila, isto é, o número de vibrações por segundo. A unidade da frequência das ondas eletromagnéticas é dada pelo inverso do segundo (1/s ou s-1), que é igual a 1 hertz, em homenagem ao físico alemão Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894).

    As ondas de rádio AM e FM são um tipo de radiação eletromagnética que se situa nas ondas hertzianas, que, conforme você pode ver no espectro acima, possui baixa energia e grandes comprimentos de onda, que se estendem entre 3 . 10⁸nm até 3 . 10¹⁷nm. Observe abaixo os valores das frequências desse tipo de radiação:

* Ondas curtas → 107 Hz a 109 Hz;  * Ondas médias → 106;  * Ondas longas → 100 Hz a 105 Hz.

    As ondas de TV também são exemplos de ondas hertzianas cujas frequências são menores que 100 Hz. As ondas hertzianas são transmitidas e recebidas por meio de antenas.

    Além das transmissões radiofônicas usadas pelo homem, esse tipo de radiação também é emitido por estrelas e nebulosas. Isso é importante porque permite que elas sejam estudadas, mesmo estando em uma distância que os telescópios ópticos não alcançam.

Micro-ondas

São ondas de frequência bem mais elevadas que as frequências das ondas de rádio. Essas ondas possuem frequências compreendidas entre 10⁸ Hz e 10¹¹ Hz. Hoje essas ondas são utilizadas amplamente na fabricação dos aparelhos de micro-ondas como também nas telecomunicações, transportando sinais de TV via satélite ou transmissões telefônicas.

 Radiação infravermelha

    A radiação infravermelha (IV) é uma radiação não ionizante na porção invisível do espectro eletromagnético que está adjacente aos comprimentos de onda longos, ou final vermelho do espectro da luz visível. Ainda que em vertebrados não seja percebida na forma de luz, a radiação IV pode ser percebida como calor, por terminações nervosas especializadas da pele, conhecidas como termorreceptores.

    A radiação infravermelha foi descoberta em 1800 por William Herschel, um astrónomo inglês de origem alemã. Herschel colocou um termômetro de mercúrio no espectro obtido por um prisma de cristal com a finalidade de medir o calor emitido por cada cor. Descobriu que o calor era mais forte ao lado do vermelho do espectro, observando que ali não havia luz. Esta foi a primeira experiência que demonstrou que o calor pode ser captado em forma de imagem, como acontece com a luz visível.

    Esta radiação é muito utilizada nas trocas de informações entre computadores, celulares (telemóveis) e outros equipamentos eletrônicos.

Obtenção de imagens térmicas

com radiação infravermelha

Radiação Visível

    As ondas eletromagnéticas que possuem frequência compreendida entre 4,6 x 10¹⁴ Hz e 6,7 x 10¹⁴ são de extrema importância para nós, seres humanos, pois elas são capazes de sensibilizar nossa visão, essas são as chamadas radiações luminosas, ou seja, a luz. As radiações luminosas possuem um pequeno espaço no espectro eletromagnético. Sendo assim, os olhos humanos não conseguem ver o restante das radiações que compõe o espectro eletromagnético.

Radiação Ultravioleta

    As frequências dessa radiação são superiores às da região visível ao olho humano. Essas radiações são emitidas pelos átomos quando excitados como, por exemplo, em lâmpadas de vapor mercúrio (Hg), acompanhando a emissão de luz. Por não serem visíveis os raios ultravioletas podem causar sérios danos à visão humana.

Radiação Visível	Radiação Ultravioleta

Raios X

    Os raios X são emissões eletromagnéticas de natureza semelhante à luz visível. O seu comprimento de onda vai de 0,05 ângström (5 pm - picômetros) até dezenas de angstrons (1 nm - nanómetro).

    Os raios X foram descobertos no dia 8 de novembro de 1895, por um físico alemão chamado Wilhelm Conrad Röntgen. A descoberta ocorreu quando Röentgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Todo o conjunto foi envolvido por uma caixa com um filme negro no seu interior e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platino cianeto de bário.

    Röentgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do tubo, estes emitiam uma radiação que marcava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel fotográfico alguns corpos opacos à luz visível. Desta forma, observou que vários materiais opacos à luz diminuíam mas não eliminavam a chegada desta estranha radiação até à placa de platino cianeto de bário. Isto indicava que a radiação possuía um alto poder de penetração. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à sua esposa que posicionasse sua mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.

    O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea interna da mão humana. Esta foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta.

 Raios gama

    Radiação gama ou raio gama é um tipo de radiação eletromagnética produzida geralmente por elementos radioativos ou processos subatômicos.

    Este tipo de radiação tão energética também é produzida em fenômenos astrofísicos de grande violência. O seu comprimento de onda pode varia desde alguns picômetros até comprimentos muito menores.

    Por causa das altas energias que possuem, os raios gama constituem um tipo de radiação ionizante capaz de penetrar na matéria mais profundamente que a radiação alfa ou beta. Devido à sua elevada energia, podem causar danos no núcleo das células, por isso usados para esterilizar equipamentos médicos e alimentos.

Raios cósmicos

    Os raios cósmicos são partículas extremamente penetrantes, dotadas de alta energia, que se deslocam a velocidades próximas à da luz no espaço sideral. Portanto, raios cósmicos não são raios, mas partículas.

    Essas partículas, ao chegarem à Terra, colidem com os núcleos dos átomos da atmosfera, a cerca de 10 mil metros acima da superfície do planeta, e dão origem a outras partículas, formando uma “chuva” de partículas com menos energia, os chamados raios cósmicos secundários.

    O número de partículas que chegam ao nível do mar, em média, é de uma partícula por segundo em cada centímetro quadrado.

    Os raios cósmicos secundários são inofensivos à vida na Terra, mas os raios cósmicos primários são perigosos para os astronautas no espaço.

Raios gama		Raios cósmicos

Como pegar ou barrar ondas eletromagnéticas?

    Quando objetos condutores em forma de barra possuem uma carga líquida, por exemplo, estas buscarão as extremidades opostas, devido à repulsão eletrostática entre cargas de mesmo sinal. Isto ocorre devido à tendência natural de cargas elétricas de mesmo sinal é de ocuparem regiões de maior distância possível umas das outras, de modo a minimizar a diferença de potencial eletrostático, causando um efeito chamado de blindagem eletrostática. como cascas esféricas tem carga líquida, estas se distribuirão na superfície externa da mesma.

    As ondas eletromagnéticas são propagações das vibrações do campo elétrico e do campo magnético, que acontecem uma perpendicular à outra. Cada uma delas em si é uma onda transversal. Ou seja, num sistema de coordenadas, se a oscilação é na vertical, a direção de propagação será na horizontal, por exemplo. O mesmo acontece com o campo magnético, que também oscila perpendicularmente ao campo elétrico. Em suma, os três vetores, campo elétrico, campo magnético e o vetor de Poynting, são perpendiculares entre si. O vetor de Poynting é aquele que dá a direção de propagação da onda, conforme mostra a figura abaixo.

    Todas as frequências da radiação eletromagnética assumem basicamente esta forma. Sendo assim, esta onda pode interagir com os campos elétricos dos objetos, especialmente os metálicos. Isto porque os metais tem elétrons que podem se locomover ao longo da rede cristalina, dependendo da orientação do campo elétrico no local. Esta interação é aproveitada para a transmissão de informações, comumente utilizadas pelas estações emissoras de rádio, de TV, celulares, enfim, são várias as faixas de frequências, portanto, varias são as utilizações práticas.

    Devido à facilidade que os metais têm em fazer variar o campo elétrico dos objetos metálicos, estes podem servir também como obstáculos para a propagação destas ondas. Depende da ordem do comprimento de onda da radiação incidente, e do tamanho dos espaçamentos livres no objeto metálico, de modo que a onda pode passar sem interagir. Ao efeito de blindagem da onda eletromagnética, dá-se o nome de Gaiola de Faraday. Este fenômeno pode ser facilmente observado.

    As ondas de celular operam na faixa de frequências de 800MHz a 1800MHz, ou seja, 8×10⁸ a 1,8×10⁹ Hz. O comprimento de onda varia entre 0,17m e 0,375m (entre 17cm e 37,5cm). Deste modo, se tiver uma gaiola formada por ligas metálicas formando malhas cujo comprimento e largura sejam inferiores a 17cm, barraria as ondas incidentes. Desta forma, impediria o funcionamento do dispositivo, que recebe e envia ondas com a faixa de comprimentos de onda citados. Para fazer o teste é muito simples. Se envolver o celular com um papel alumínio, este não funcionará corretamente. Neste caso, a oscilação do campo elétrico faz com que os elétrons do papel alumínio recebam a energia da onda incidente, não o receptor de celular.

Gaiola de Faraday

    Espectroscópio

    Um espectroscópio é um instrumento destinado a separar os diferentes componentes de um espectro ótico. Constitui-se essencialmente de uma fresta situada no plano focal de um colimador, um prisma ou rede de difração e um anteparo (tela) onde se projeta (imagem real) o feixe dispersado.

    Posteriormente se utilizaram de redes de difração, que consistem num suporte (transparente ou refletor) com ranhuras (linhas) finíssimas, em cada milímetro de extensão podem caber nada menos de 500 a 1000 dessas ranhuras (linhas), que fazem com que, inicialmente, cada cor do feixe de luz incidente se disperse em todas as direções (difração). A seguir, segundo direções determinadas desse feixe difratado, cores iguais (comprimentos de ondas iguais) sofrem interferência construtiva e se reforçam (somam geometricamente suas amplitudes) e em outras direções sofrem interferência destrutiva. O resultado final é equivalente a aquele obtido mediante o prisma, a saber, a decomposição de um feixe de luz policromática em seus componentes monocromáticos, porém desta vez, com maior eficiência, quer dizer, com melhor e mais uniforme separação dos mesmos.

Espectroscópio

Espectros de emissão

    Abaixo ilustramos os espectros de emissão de alguns elementos químicos:

    Temperatura de Cor

    Todas as substâncias com temperatura acima do zero absoluto ou -273ºC emitem radiação com frequência proporcional à temperatura absoluta do emissor. Por exemplo, a Terra emite energia radiante com frequência menor do que a emitida pelo Sol, que possui temperatura muito mais alta.

    O Sol emite radiação devido às reações nucleares em seu interior e essa energia chega até a Terra com frequências na faixa do espectro visível, do ultravioleta e do infravermelho.

    A radiação infravermelha é também chamada de radiação térmica, pois em contato com nossa pele, por exemplo, produz a sensação de calor, assim como carvão em brasa e o filamento de uma lâmpada produzem.

    A Terra também emite radiação na faixa do infravermelho e, geralmente, é chamada de radiação terrestre.

    Corpos a temperatura muito elevadas, como a lava de um vulcão, emitem luz vermelha intensa que passa por um vermelho mais fraco, por um alaranjado e vai até o branco conforme a temperatura se eleva. Em uma vela, por exemplo, as cores vão do branco, passando pelo azul, amarelo, laranja até um castanho, do centro para a periferia da chama.

    Vejamos na tabela abaixo algumas cores emitidas em certas temperaturas.

temperatura (ºC)	cor	frequência (Hz)	comprimento de onda (m)
~1100	vermelho	3,89x10^14	~768x10^-9
~2200	laranja	4,57x10^14	~656x10^-9
~3400	amarelo	5,09x10^14	~589x10^-9
acima de 10000	branco	no infinito	no infinito

    Disco de Newton

Disco de Newton é um dispositivo utilizado em demonstrações de composição de cores. Recebeu esse nome pelo fato do físico e matemático inglês Sir Isaac Newton ter descoberto que a luz branca do Sol é composta pelas cores do arco-íris.

    Ao entrar em movimento, cada cor do disco de Newton se sobrepõe em nossa retina, dando a sensação de mistura. Com velocidade suficientemente rápida e com as cores corretas o disco dá a ilusão de ficar de coloração acinzentada ou esbranquiçada.

    Aplicação da Radioatividade na Medicina

A radioatividade tem larga aplicação em nossa sociedade; portanto, na medicina não poderia ser diferente. A forma de radiação mais conhecida em diagnósticos médicos é a radiografia dos ossos através do uso de raios X. Além disso, usam-se isótopos para diagnósticos, tratamentos e detecção de drogas e hormônios no organismo.

    Na medicina, é comum introduzir no organismo de alguns pacientes radioisótopos artificiais, denominados radiotraçadores. Eles recebem esse nome porque, ao serem transportados pelo corpo da pessoa, emitem radiações que permitem seu monitoramento, sabendo por onde passaram e onde se depositaram. Isso permite que o radiologista faça um mapeamento de órgãos.

    Um exemplo de radioisótopo é o iodo-131 que é usado no tratamento de câncer de tireoide, pois, por se acumular nesse órgão, suas radiações gama destroem as células cancerígenas. Abaixo temos um quadro com exemplos de outros radioisótopos e sua utilização na medicina:

    Além disso, é possível produzir imagens para os médicos analisarem, pois as radiações beta e gama incidem sobre filmes fotográficos. As imagens também são geradas por radioisótopos emissores de pósitrons e assim é possível detectar se a lesão em questão é benigna ou maligna.

    Um tomógrafo usado para esse fim é o PET, sigla que vem do inglês, pósitron emissiontomography, isto é, Tomografia por Emissão de Pósitron. O paciente submetido a esse exame recebe uma injeção com radioisótopo emissor de pósitron ligado a uma molécula que tem afinidade com o órgão do paciente que será estudado. Normalmente o radioisótopo utilizado é o flúor-18 com período de meia-vida de apenas 108 min. Ao redor do paciente estarão detectores de radiação que detectarão a emissão de ondas eletromagnéticas dos pósitrons que colidem com os elétrons. Dessa forma, o órgão é mapeado.

    É claro que para cada caso deve haver uma avaliação médica criteriosa que decidirá se o benefício será maior que o risco, visto que a radiação também pode danificar células boas.