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Ondas Eletromagnéticas

 

É importante tomarmos consciência de como estamos imersos em ondas eletromagnéticas. Iniciando pelos Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos através de ondas eletromagnéticas.

Além de outras, recebemos também: a radiação eletromagnética emitida, por átomos de hidrogênio neutro que povoam o espaço interestelar da nossa galáxia; as emissões na faixa de radiofreqüências dos "quasares" (objetos ópticos que se encontram a enormes distâncias de nós, muito além de nossa galáxia, e que produzem enorme quantidade de energia); pulsos intensos de radiação dos "pulsares" (estrelas pequenas cuja densidade média é em torno de 10 trilhões de vezes a densidade média do Sol).

Ondas Eletromagnéticas

Essas radiações são tão importantes que deram origem a uma nova ciência, a Radioastronomia, que se preocupa em captar e analisar essas informações obtidas do espaço através de ondas.

Há ainda as fontes terrestres de radiação eletromagnética: as estações de rádio e de TV, o sistema de telecomunicações à base de microondas, lâmpadas artificiais, corpos aquecidos e muitas outras.

Ondas Eletromagnéticas

A primeira previsão da existência de ondas eletromagnéticas foi feita, em 1864, pelo físico escocês, James Clerk Maxwell . Ele conseguiu provar teoricamente que uma perturbação eletromagnética devia se propagar no vácuo com uma velocidade igual à da luz.

E a primeira verificação experimental foi feita por Henrich Hertz, em 1887. Hertz produziu ondas eletromagnéticas por meio de circuitos oscilantes e, depois, detectou-se por meio de outros circuitos sintonizados na mesma freqüência. Seu trabalho foi homenageado posteriormente colocando-se o nome "Hertz" para unidade de freqüência.

LEIS 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.

O físico inglês Michael Faraday já havia afirmado que era possível produzir um campo a partir de um campo magnético variável.

Imagine um imã e um anel:

Ondas Eletromagnéticas

Considere o imã perpendicular ao plano do anel. Movendo-se ou o imã ou o anel, aparecerá uma corrente no anel, causado por um campo elétrico criado devido à variação do fluxo magnético no anel.

Maxwell verificou que o contrário também era possível. Um campo elétrico variável podia gerar um campo magnético.

Imagine duas placas paralelas sendo carregadas progressivamente:

Ondas Eletromagnéticas

Ao crescerem as cargas das placas, o campo elétrico aumenta, produzindo uma campo magnético (devido a variação do campo elétrico).

Embora Maxwell tenha estabelecido quatro equações para descrever os fenômenos eletromagnéticos analisados, podemos ter uma noção de sua teoria baseados em duas conclusões:

Um campo elétrico variável no tempo produz um campo magnético.
Um campo magnético variável no tempo produz um campo elétrico.

A GERAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

Imagine uma antena de uma estação de rádio:

Ondas Eletromagnéticas

Na extremidade da antena existe um fio ligado pelo seu centro a uma fonte alternada (que inverte o sentido a intervalos de tempo determinados). Num certo instante, teremos a corrente num sentido e, depois de alguns instantes, a corrente no outro sentido.

Ondas Eletromagnéticas 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:

Ondas Eletromagnéticas

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:

Ondas Eletromagnéticas

ou

Ondas Eletromagnéticas
(valor exato)

que é igual a velocidade da luz. Nisso Maxwell se baseou para afirmar que a luz também é uma onda eletromagnética.

Podemos resumir as características das ondas eletromagnéticas no seguinte:

São formadas por campos elétricos e campos magnéticos variáveis.
O campo elétrico é perpendicular ao campo magnético.
São ondas transversais (os campos são perpendiculares à direção de propagação).
Propagam-se no vácuo com a velocidade "c" .
Podem propagar-se num meio material com velocidade menor que a obtida no vácuo.
Com isto, o campo elétrico ao redor do fio em um certo instante estará apontando num sentido e, depois, no sentido contrário.

Esse campo elétrico variável Ondas Eletromagnéticasirá gerar um campo magnético Ondas Eletromagnéticas, que será também variável. Por sua vez, esse campo magnético irá gerar um campo elétrico. E assim por diante .... 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.

Ondas Eletromagnéticas

Note que o campo elétrico é perpendicular à direção de propagação e o campo magnético também, o que comprova que a onda eletromagnética é uma onda transversal.

Além disso, o campo elétrico é perpendicular ao campo magnético, o que podemos verificar facilmente: quando um fio é percorrido por cargas em movimento, o campo elétrico num ponto próximo ao fio pertence ao plano do fio, enquanto o campo magnético está saindo ou entrando neste plano.

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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 freqüências e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas.

As ondas eletromagnéticas no vácuo têm a mesma velocidade , modificando a freqüência de acordo com espécie e, conseqüentemente, o comprimento de onda.

Ondas Eletromagnéticas

** 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.

CARACTERÍSTICAS DAS PRINCIPAIS RADIAÇÕES

Ondas de Rádio

"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).

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Estas ondas, além disso, têm a capacidade de contornar obstáculos como árvores, edifícios, de modo que é relativamente fácil captá-las num aparelho rádio-receptor.

Ondas de TV

As emissões de TV são feitas a partir de 5x107 Hz (50 MHz) . É costume classificar as ondas de TV em bandas de freqüência (faixa de freqüência), que são:

VHF : very high frequency (54 MHz à 216 MHZ è canal 2 à 13)
UHF : ultra-high frequency (470 MHz à 890 MHz è canal 14 à 83)
SHF : super-high frequency
EHF : extremely high frequency
VHFI : veri high frequency indeed

As ondas de TV não são refletidas pela ionosfera, de modo que para estas ondas serem captadas a distâncias superiores a 75 Km é necessário o uso de estações repetidoras.

Ondas Eletromagnéticas

Microondas

Microondas correspondem à faixa de mais alta freqüência produzida por osciladores eletrônicos. Freqüências mais altas que as microondas só as produzidas por oscilações moleculares e atômicas.

Ondas Eletromagnéticas

As microondas são muito utilizadas em telecomunicações. As ligações de telefone e programas de TV recebidos "via satélite" de outros países são feitas com o emprego de microondas.


As microondas também podem ser utilizadas para funcionamento de um radar. Uma fonte emite uma radiação que atinge um objeto e volta para o ponto onde a onda foi emitida. De acordo com a direção em que a radiação volta pode ser descoberta a localização do objeto que refletiu a onda.

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Luz visível

Note que nosso olho só tem condições de perceber freqüências que vão de 4,3x1014 Hz a 7x1014 , faixa indicada pelo espectro como luz visível.

Nosso olho percebe a freqüência de 4,3x1014 como a cor vermelha. Freqüências abaixo desta não são visíveis e são chamados de raios infravermelhos , que têm algumas aplicações práticas.

A freqüência de 7x1014 é vista pelo olho como cor violeta. Freqüências acima desta também não são visíveis e recebem o nome de raios ultravioleta. Têm também algumas aplicações.

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A faixa correspondente à luz visível pode ser subdividida de acordo com o espectro a seguir.

Raios X

Os raios X foram descobertos, em 1895, pelo físico alemão Wilhelm Röntgen. Os raios X têm freqüência alta e possuem muita energia. São capazes de atravessar muitas substâncias embora sejam detidos por outras, principalmente pelo chumbo.

Esses raios são produzidos sempre que um feixe de elétrons dotados de energia incidem sobre um obstáculo material. A energia cinética do feixe incidente é parcialmente transformada em energia eletromagnética, dando origem aos raios X.

Os raios X são capazes de impressionar uma chapa fotográfica e são muito utilizados em radiografias, já que conseguem atravessar a pele e os músculos da pessoa, mas são retidos pelos ossos.

Ondas Eletromagnéticas

Os raios X são também bastante utilizados no tratamento de doenças como o câncer. Têm ainda outras aplicações: na pesquisa da estrutura da matéria, em Química, em Mineralogia e outros ramos.

Raios Gama

As ondas eletromagnéticas com freqüência acima da dos raios X recebe o nome de raios gama (g ).

Os raios g são produzidos por desintegração natural ou artificial de elementos radioativos.

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Um material radioativo pode emitir raios g durante muito tempo, até atingir uma forma mais estável.

Raios g de alta energia podem ser observados também nos raios cósmicos que atingem a alta atmosfera terrestre em grande quantidade por segundo.

Os raios g podem causar graves danos às células, de modo que os cientistas que trabalham em laboratório de radiação devem desenvolver métodos especiais de detecção e proteção contra doses excessivas desses raios.

Fonte: www.zaz.com.br

Ondas Eletromagnéticas

Ondas Elétricas

As ondas de luz, como as ondas de rádio e televisão, são ONDAS ELETROMAGNÉTICAS. Como o nome indica, uma onda eletromagnética consiste de um campo elétrico e um campo magnético, ambos oscilantes e propagando-se pelo espaço.

Só que, nessa nossa conversa sobre a polarização, vamos levar em conta apenas a parte "elétrica" da onda eletromagnética, deixando de lado a parte magnética. Isso não faz muita diferença pois os efeitos do campo magnético presente nas ondas eletromagnéticas são desprezíveis nos fenômenos que vamos descrever.

Tipicamente, a intensidade do campo magnético é milhares de vezes menor que a intensidade do campo elétrico em uma onda eletromagnética. Portanto, para nosso uso nas páginas a seguir, a luz e as ondas de rádio serão consideradas como "ONDAS ELÉTRICAS", isto é, campos elétricos oscilantes propagando-se pelo espaço.

As animações ao lado mostram dois tipos de onda propagando-se pelo espaço. Na animação de cima, vemos a familiar onda de água deslocando-se pela superfície de um lago. Enquanto a onda passa, a superfície da água sobe e desce formando altos e baixos, máximos e mínimos.

A distância entre dois máximos sucessivos é que chamamos de "comprimento de onda". Observe que um objeto boiando na superfície (uma rolha, por exemplo) sobe e desce, acompanhando o ritmo da onda que passa, mas não se desloca lateralmente na direção da propagação ondulatória.

Na outra animação, representamos a passagem de uma "onda elétrica". A intensidade do campo elétrico que se propaga é representado por tracinhos que oscilam para cima e para baixo, no ritmo da onda que se desloca.

Um campo elétrico, como sabemos, move cargas elétricas. Uma carga elétrica livre (representada pelo pontinho vermelho) sobe e desce ao sabor da onda elétrica, como a rolha na superfície da água, sem se deslocar no sentido da onda.

Essas animações são apenas caricaturas dos fenômenos reais mas servem para nos ajudar a visualizar os efeitos das ondas eletromagnéticas sobre cargas elétricas livres.

Ondas Eletromagnéticas
Rolha oscilando durante a passagem de uma onda na superfície de um lago.

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Carga elétrica oscilando durante a passagem de uma onda de rádio.

As ondas na água e as ondas de rádio ou luz são exemplos de ondas ditas "transversais". Nas ondas transversais a oscilação se dá em uma direção perpe\ndicular à direção de propagação da onda. Esse tipo de onda pode ser "polarizada", como veremos a seguir.

Para entender como essas ondas são emitidas e captadas vamos considerar, no capítulo seguinte, a transferência de uma onda de rádio da estação transmissora para um aparelho receptor.

Ondas de Luz

Ondas de luz: o olho como uma antena receptora

A luz que nos ilumina é uma onda "elétrica" semelhante a uma onda de rádio ou televisão. A diferença está apenas no comprimento de onda que é muito menor nas ondas de luz do que nas ondas de rádio.

Quais são as antenas emissoras e receptoras das ondas de luz? São os átomos ou moléculas das substâncias que emitem ou captam a luz. Considere, por exemplo, a tela de seu monitor nesse exato instante. Nela existem átomos cujos elétrons estão em vibração com alta freqüência.

Elétrons são cargas e, como sabemos, cargas vibrantes emitem ondas elétricas. Essas ondas se propagam e penetram seus olhos, atingindo suas retinas. As retinas de seus olhos têm células sensíveis à luz - elas são as antenas receptoras que vão ser excitadas pelo campo elétrico da luz. Como no caso do rádio, essa excitação é transformada em um sinal (no caso, um sinal nervoso) e enviada ao cerébro, onde é "decodificada" no que chamamos de "visão".

A luz emitida pelo monitor é "não-polarizada". E não podia ser diferente já que os elétrons que oscilam nos átomos da tela do monitor oscilam em todas as direções possíveis emitindo ondas com campos elétricos em qualquer direção.

As células da retina (que atuam como antenas receptoras) também estão distribuidas ao acaso, em todas as direções possíveis. Portanto, podem captar ondas com qualquer polarização. Em outras palavras, nossos olhos não são sensíveis a diferenças de polarização da luz que recebem. Ao que parece, alguns animais, principalmente insetos, têm olhos que podem distinguir a polarização da luz. É a chamada visão-P que serve para orientar esses seres ao se deslocarem em suas tarefas normais.

Ondas de Rádio

Ondas de rádio: do transmissor ao receptor

A ciência do eletromagnetismo diz que cargas elétricas oscilantes emitem ondas eletromagnéticas. É isso o que ocorre na antena de uma emissora de rádio. Podemos descrever uma antena como uma haste metálica onde cargas elétricas (os elétrons livres que populam qualquer metal) estão se deslocando de um lado para o outro, movidas por um campo elétrico oscilante.

A animação ao lado representa a oscilação de uma carga livre (o ponto amarelo) em uma antena emissora. A oscilação dessa carga gera uma onda eletromagnética (ou apenas "elétrica", em nossa simplificação) que se desprende da antena e passa a se propagar no espaço. Observe que o campo elétrico oscilante da onda é sempre paralelo à direção da antena, enquanto se propaga em uma direção perpendicular à antena.

Ondas Eletromagnéticas
Onda elétrica gerada pela oscilação de uma carga em uma antena.

Quando a onda elétrica emitida pela antena da estação de rádio chega à antena de um receptor de rádio ocorre o efeito inverso. Agora é o campo elétrico da onda que faz mover as cargas livres da antena receptora que são forçadas a oscilar no mesmo ritmo (ou "freqüência") das oscilações da onda. É assim que os sinais da emissora são captados (e depois "decodificados") e acabam gerando os sons que ouvimos nos nossos aparelhos de rádio ou nas imagens que vemos em nossos televisores.

Ondas Eletromagnéticas
Onda elétrica transmitindo um sinal de uma antena para outra.

Na animação, desenhamos uma antena emissora e uma antena receptora, ambas na direção vertical. A onda elétrica emitida tem seu campo elétrico sempre paralelo à antena emissora, isto é, sempre na direção vertical. Esse é um exemplo de uma onda "polarizada", no caso, polarizada na direção vertical. A antena receptora, se também se encontra na direção vertical pode "captar" o sinal emitido pela antena emissora, trazido pela onda. Note que as cargas na antena receptora oscilam com a mesma freqüência das cargas da antena emissora mas, como o sinal viaja com velocidade finita (a velocidade da luz), os instantes em que cada carga passa por um máximo da oscilação podem ser diferentes, dependendo da distância entre as antenas. Em termos técnicos, as "fases" das oscilações podem ser diferentes.

Agora suponha que a antena receptora da animação acima seja movida para uma posição horizontal, portanto, perpendicular direção do campo elétrico da onda. Nesse caso, as cargas da antena receptora não serão movidas pelo campo elétrico da onda e não haverá "detecção" do sinal emitido. Quem já instalou uma antena de televisão sabe bem o que isso significa.

Uma antena emissora única emite ondas polarizadas. Mas, suponha que várias antenas emissoras, colocadas no mesmo ponto mas em direções diferentes, emitam ondas independentemente umas das outras. Nesse caso, o sinal emitido seria polarizado em todas essas direções, portanto, não seria polarizado. Imagine uma infinidade dessas antenas, apontando em todas as direções possíveis em um plano vertical enquanto emitem ondas elétricas. O sinal total emitido seria uma onda com campos elétricos em todas as direções do plano vertical: seria uma onda "não-polarizada". Isto é: uma onda não-polarizada é, na verdade, uma onda polarizada em todas as direções de um plano. Uma antena receptora em qualquer direção perpendicular direção de propagação da onda seria capaz de captar o sinal emitido não polarizado.

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Fonte: www.ufc.br

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