Ondas eletromagnéticas

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 resultado das combinações de campos elétricos e 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 em micro-ondas, acessar à internet e mais uma infinidade de coisas.

As ondas eletromagnéticas resultam da combinação de um campo elétrico e de um magnético que se propagam no espaço.

Onde elas estão?

As ondas eletromagnéticas propagam-se no vácuo a todo momento. Isso porque tudo o que existe tem eletromagnetismo.

A energia elétrica surge da agitação dos átomos que estão na formação de todos os corpos. O magnetismo surge da movimentação dessa carga elétrica e, como resultado, surgem as ondas eletromagnéticas.

Inúmeras coisas que utilizamos no dia a dia funcionam através das ondas eletromagnéticas. São exemplos: o rádio, a televisão, o celular, o micro-ondas, o controle remoto, a internet sem fios, o bluetooth, etc.

No século XIX, foi o físico escocês James C. Maxwell o primeiro a demonstrar que a oscilação de uma carga elétrica dá origem a campos magnéticos. Esses campos, por sua vez, produzem campos elétricos, assim como a variação de fluxo de campos elétricos origina campos magnéticos. A interação entre esses campos é responsável pelo surgimento das ondas eletromagnéticas. Maxwell baseou-se nas Leis de Ampère, 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 Maxwell, , o qual morreu antes de ver a confirmação das suas teorias. 

Uma das principais contribuições de Maxwell foi determinar que a velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é igual a 300.000 km/s, o que corresponde à mesma velocidade já obtida para a propagação da luz. Essa descoberta fez Maxwell suspeitar 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 seja 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 para a sua propagação.

face de todas as suas contribuições, Maxwell é considerado tão importante para o Eletromagnetismo quanto Isaac Newton é para a Mecânica.

Características das ondas eletromagnéticas

• 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 = 300.000 km/s;

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

E o que são Ondas Mecânicas?

Enquanto as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio material para se propagar, as ondas mecânicas necessariamente precisam. É o caso, por exemplo, do telefone com fios. O fio é o meio utilizado para que a onda mecânica percorra o seu caminho e transporte energia. 

Os celulares, por outro lado, não têm fios. Fazem uso das ondas eletromagnéticas.

Ondas mecânicas são perturbações que transportam energia cinética e potencial através de um meio material, por exemplo: ondas marítimas, sísmicas e sonoras. Ela pode acontecer somente num meio material, mas não transportam matéria e, sim, energia. Essas perturbações acontecem na forma de pulsos, os quais são ondas de curta duração que se repetem com intervalos de tempo iguais, ou seja, em movimentos periódico.

Espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético representa 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.

Espectro Visível

Com a evolução da Física ao longo dos anos, os cientistas perceberam que a luz possui um comportamento similar ao das ondas eletromagnéticas, a luz é uma oscilação e se propaga no vácuo com uma certa variação no tempo (frequência). Podemos associá-la como um exemplo para o som, sem caracterizar muitos detalhes o som é uma vibração mecânica do ar, onde frequências diferentes caracterizariam sons graves e agudos. Assim como o som, as frequências determinam as cores para a luz, para uma determinada faixa de frequências podemos observar as cores, e essa faixa de cores é chamada de espectro de luz visível.

Os limites do espectro visível variam de pessoa para pessoa, mais ou menos, sendo assim, os olhos dos seres humanos tem uma faixa definida, se limitando entre 350nm a 700nm dos comprimentos de ondas para a luz visível. Podemos dizer então que para cada cor temos uma determinada frequência e comprimento de onda que a distingue das demais, temos por exemplo: a luz vermelha que é uma luz de menor freqüência e consequentemente menor energia, já o violeta é uma luz de maior freqüência e nos submete a maior energia.

Existe a relação entre comprimento de onda (λ) e freqüência (f), cuja relação é inversamente proporcional, onde o comprimento da onda é dado pela divisão da velocidade da onda (no caso a velocidade da luz (c = 3x108m/s)), pela frequência da onda: c= λ .f 

Luz Mono e Policromática

De acordo com sua cor a luz pode ser classficada como Monocromática ou Policromática. Chama-se luz monocromática aquela composta de apenas uma cor, como por exemplo, a luz amarela emitida por lâmpadas de sódio.

Ou chama-se de luz monocromática às radiações eletromagnéticas na faixa de luz visível compostas por um único comprimento de onda. A luz monocromática é utilizada em várias áreas da física como na observação solar ela evidencia as estruturas existentes em sua atmosfera, ou cromosfera por meio de uma filtragem da luz recebida. A filtragem é feita de tal maneira a apenas deixar uma pequena fração de espectro eletromagnético atingir o detector, normalmente um CCD,filme ou o próprio olho. A pequena fração do espectro que é transmitida deverá corresponder a emissão característica de um elemento químico presente na fonte emissora. 

Chama-se luz policromática aquela composta por uma combinação de duas ou mais cores monocromáticas, como por exemplo, a luz branca emitida pelo sol ou por lâmpadas comuns. Usando-se um prisma é possível decompor a luz policromática nas luzes monocromáticas que a formam, o que não é possível para as cores monocromáticas, como o vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Um exemplo da composição das cores monocromáticas que formam a luz branca é o disco de Newton, que é uma experiência composta de um disco com as sete cores do espectro visível, que ao girar em alta velocidade, "recompõe" as cores monocromáticas, formando a cor policromática branca.

Cor de um corpo

Ao nosso redor é possível distinguir várias cores, mesmo quando estamos sob a luz do Sol, que é branca. Esse fenômeno acontece pois quando é incidida luz branca sobre um corpo de cor verde, por exemplo, este absorve todas as outras cores do espectro visível, refletido de forma difusa apenas o verde, o que torna possível distinguir sua cor. Por isso, um corpo de cor branca é aquele que reflete todas as cores, sem absorver nenhuma, enquanto um corpo de cor preta absorve todas as cores sobre ele incididas, sem refletir nenhuma, o que causa aquecimento.

Radiação do Corpo Negro

Todo o corpo emite e absorve radiação. Quando a temperatura do corpo é maior que a do ambiente onde ele está inserido, a taxa de emissão é maior que a taxa de absorção. Quando a temperatura do corpo é menor que a do ambiente onde ele se encontra, a taxa de emissão é menor que a taxa de absorção. Um corpo só não emite radiação térmica se sua temperatura for o zero absoluto, ou seja: 0 K (zero kelvin).

Toda matéria que se encontra em um estado solido ou líquido, também conhecido como matéria condensada, emite um espectro contínuo de freqüências. Ou seja, não existem espaços vazios no espectro. Quando um corpo se encontra a temperatura ambiente ele é visto pela radiação que ele reflete na faixa de freqüência da luz visível. Se estiver a temperaturas altíssimas, em torno de mil kelvins, ele emite luz visível própria em intensidade suficiente para ser detectada pela visão humana. É definido como corpo negro todo aquele que emite um espectro de radiação universal que depende apenas de sua temperatura, não de sua composição. Este tipo de corpo absorve toda a radiação que incide sobre eles. Daí a denominação corpo negro.

O estudo da radiação térmica se deu a partir do momento em que o físico alemão Robert Kirchhoff, ao analisar as relações existentes entre calor absorvido e calor emitido, propôs duas leis fundamentais para o estudo da radiação térmica. 
A primeira lei fala sobre a cor da radiação emitida. Ela depende da frequência, e esta frequência depende da temperatura do corpo aquecido, seja qual for sua composição. A segunda lei de Kirchhoff introduz o conceito de corpo negro. Para ele, o corpo negro é um excelente emissor de radiação, e toda radiação gerada nele é emitida. Como o corpo negro apresenta fácil realização prática, ele se tornou fundamental para o estudo das radiações térmicas. Isso porque o corpo negro é caracterizado por uma abertura em um objeto oco, o que possibilita a reflexão nas paredes internas de qualquer tipo de radiação emitida absorvendo então essa radiação.

Formas de  transferência de calor

Radiação, condução e convecção

O calor é um tipo de energia que pode ser transferido de um corpo para o outro quando há diferença de temperatura entre eles. A transferência de calor pode ocorrer de três formas: radiação, condução e convecção.

A radiação térmica, também conhecida como irradiação, é uma forma de transferência de calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas. Como essas ondas podem propagar-se no vácuo, não é necessário que haja contato entre os corpos para haver transferência de calor. Todos os corpos emitem radiações térmicas que são proporcionais à sua temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a quantidade de calor que o objeto irradia. Um exemplo desse processo é o que acontece com a Terra, que, mesmo sem estar em contato com o Sol, é aquecida por ele. Outro exemplo pode ser observado na figura a seguir:

 

Podemos nos aquecer nas proximidades de uma lareira, sem ter contato direto com o fogo, graças ao processo de condução do calor por irradiação

O calor também pode ser transferido de um meio para o outro por meio da condução. Para entender melhor esse processo de transferência de calor, imagine a seguinte situação: segurando uma barra de ferro em uma das suas extremidades e colocando a outra ponta sobre uma chama, ela começará a aquecer. Primeiramente, a parte que está sobre o fogo terá sua temperatura elevada, pois a chama está transferindo energia para a barra. As moléculas que a constituem começarão a ficar agitadas e chocar-se-ão com as outras que não estão em contato com o fogo. Essa agitação será transmitida de molécula para molécula até que todo o objeto fique aquecido.

É assim que ocorre a condução de calor, a energia propaga-se em virtude da agitação molecular. Esse processo é mais eficiente em materiais como os metais, que são bons condutores de calor. Isso também explica o motivo das panelas serem feitas de metal.

Por fim, há a convecção, que é a forma de transferência de calor comum para os gases e líquidos. O exemplo a seguir descreve como acontece a convecção:

Ao colocar água para ferver, a parte que está próxima ao fogo será a primeira a aquecer. Quando ela aquece, sofre expansão e fica menos densa que a água da superfície, sendo assim, ela desloca-se para ficar por cima, enquanto a parte mais fria e densa move-se para baixo. Esse ciclo repete-se várias vezes e forma uma corrente de convecção, que é ocasionada pela diferença entre as densidades, fazendo com que o calor seja transferido para todo o líquido.

Leis da Radiação do Corpo Negro

Lei de Wien

A lei de Wien (ou lei do deslocamento de Wien) é a lei da física que relaciona o comprimento de onda onde se situa a máxima emissão de radiação eletromagnética de corpo negro e sua temperatura:  λ =b/T 

Onde:

lambda (λ) é o comprimento de onda (em metros) onde a intensidade da radiação eletromagnética é a máxima;

T é a temperatura do corpo em kelvin (K), e

b é a constante de proporcionalidade, chamada constante de dispersão de Wien, em m.K (metro x Kelvin).

O valor dessa constante é  b=2.8977685.10-³ m.K

Lei de Stefan- Boltzmann

A radiação que é emitida por um objeto ocorre através de sua superfície. A taxa na qual a energia é transferida e denominada poder emissivo de superfície (E).

A lei de Stefan- Boltzmann prevê um limite superior para esse poder emissivo, dado pela expressão:

 

Eb = σ. T4

 

onde:

 

E = taxa de energia liberada por unidade de área [Wm-2];

 

σ = constante de Stefan-Boltzmann: 5,67 . 10-8 [Wm-2K-4];

 

T = temperatura da superfície [K].

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