A Lei de
Faraday(vide o artigo eletromagnetismo) nos ensina que a variação em um campo magnético gera um campo elétrico. O físico escocês
James Clerk Maxwell(1831-1879) se perguntou se o contrário poderia ser feito, ou seja, uma variação de campo elétrico podoria gerar um campo magnético.
Dessa ideia veio uma das mais importantes descobertas do século 19, que é a existência das ondas eletromagnéticas. Essas ondas foram produzidas experimentalmente pela primeira vez alguns anos após a morte de Maxwell, pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894).
A importância das ondas eletromagnéticas na nossa vida é indiscutível. Elas estão presentes quando enxergamos os objetos a nossa volta, quando ligamos a TV, quando estouramos pipocas no forno de microondas e em mais uma grande gama de exemplos.
A geração das ondas eletromagnéticas
No artigo sobre força e campo elétrico mostramos que uma carga elétrica é capaz de criar a sua volta uma região de perturbação conhecida como campo elétrico. Para entender o processo de geração e propagação das ondas eletromagnéticas, imagine uma carga elétrica oscilando. Essa carga irá criar um campo elétrico oscilante, ou seja, um campo que varia com o tempo.
Esse campo elétrico, por variar, será capaz de gerar um campo magnético, que por sua vez, também é variável. Esse campo magnético variável será capaz de gerar outro campo elétrico e esse novo campo elétrico irá criar outro campo magnético e assim sucessivamente.
A sucessão de campos magnéticos e elétricos é definida como campo eletromagnético, que irá se propagar pelo espaço de forma autônoma e independente da fonte que o criou. Tal campo eletromagnético está sujeito a fenômenos ondulatórios como reflexão, difração e refração, e por isso pode ser chamado de onda eletromagnética.
O aspecto de uma onda eletromagnética é demonstrado na figura abaixo. Note que os campos magnético (B) e elétrico (E) oscilam e são perpendiculares entre si.
Na sua pesquisa, Maxwell também demonstrou a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética e obteve um valor igual ao da velocidade da luz, ou seja, 300.000 km/s. Desse modo ele deduziu que a luz também é uma onda eletromagnética.
O espectro eletromagnético
As ondas eletromagnéticas podem se manifestar de diversas formas dependendo da sua frequência de oscilação. Dessas manifestações, a mais famosa é a luz visível, que ocupa uma faixa muito pequena do espectro eletromagnético. Mas o que é o espectro eletromagnético?
O espectro eletromagnético é o conjunto de todas as ondas eletromagnéticas, como está representado na figura abaixo:
Observe que, pela figura, as ondas que possuem a menor frequência de oscilação são as ondas de rádio e as de maior frequência são os raios gama. Já os comprimentos de onda agem de maneira inversa, ou seja, as ondas de rádio possuem os maiores comprimentos, enquanto que os raios gama apresentam o menor comprimento. Isso pode ser demonstrado pela equação fundamental da ondulatória que está representada a seguir.
Lembre-se de que as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma velocidade e por isso as ondas que apresentam a maior frequência são aquelas que possuem o menor comprimento de onda, enquanto que as de menor frequência apresentam o maior comprimento de onda.
De grande utilidade prática, as ondas eletromagnéticas são utilizadas em todos os ramos da ciência. Você mesmo neste instante, está irradiando ondas eletromagnéticas, cuja frequência se encontra no infravermelho, devido ao calor de seu corpo.
O que são?
O resultado da interação de campos variáveis é a produção de ondas de campos elétricos e magnéticos que podem se propagar até mesmo pelo vácuo e apresentam propriedades típicas de uma onda mecânica, como reflexão, retração, difração, interferência e transporte de energia. A essas ondas dá-se o nome de ondas eletromagnéticas.
Características
As ondas eletromagnéticas tem como característica principal a sua velocidade. Da ordem de 300.000 Km/s no vácuo, no ar sua velocidade é um pouco menor. Considerada a maior velocidade do universo, elas podem vencer vários obstáculos físicos, tais como gases, atmosfera, água, paredes, dependendo da sua frequência.
A luz, por exemplo, não consegue atravessar uma parede, mas atravessa com grande facilidade a água, o ar atmosférico etc. Isso se deve ao fato da luz possuir partículas chamadas fótons, quanto mais energético for o fóton, menor o seu poder de transposição de obstáculos, por causa disso a luz que possui uma alta frequência não consegue atravessar uma parede.
Tanto a luz como o infravermelho ou ondas de rádios, são iguais, o que diferencia uma onda eletromagnética da outra é a sua frequência. Quanto mais alta for essa frequência mais energética é a onda.
Apenas um pequeno intervalo do espectro eletromagnético pertence a luz. O fato de enxergarmos cores, se deve ao cérebro, que utiliza este recurso para diferenciar uma onda da outra, ou melhor, uma frequência da outra (uma cor da outra). Assim o vermelho possui uma frequência diferente do violeta. Na natureza não existem cores, apenas ondas de frequências diferentes. As cores surgiram quando o homem apareceu na terra.
Outra característica das ondas eletromagnéticas é que elas podem transmitir momento linear, em outras palavras, elas exercem uma pressão (força numa determinada área). Por isso, a cauda dos cometas se movimentam no sentido contrário do sol, devido às várias radiações que o sol emite.
Espectro eletromagnético
Todas as ondas eletromagnéticas, incluindo a luz, propagam-se no vácuo com velocidade próxima a 300.000 km/s. No entanto, quando isso ocorre em meio material, a velocidade é menor. Ondas eletromagnéticas são compostas de diversos comprimentos de onda, sendo que a luz visível corresponde a uma pequena parte desse espectro, como mostrado na imagem a seguir.
Chamamos de espectro eletromagnético o conjunto dos diferentes comprimentos de ondas eletromagnéticas.
Tipos de ondas eletromagnéticas e suas aplicações
Micro-ondas
Trata-se de ondas eletromagnéticas com frequências na faixa aproximada de 109 Hz a 1012 Hz. Entre os dispositivos de nosso dia a dia em que elas são utilizadas, podemos citar o forno micro-ondas.
A maioria dos alimentos que ingerimos normalmente contém água. Por esse motivo, as micro-ondas emitidas por esses aparelhos têm a frequência natural de vibração das moléculas de água. Essas ondas transferem energia às moléculas de água do alimento, o que gera o calor responsável por aumentar a temperatura (ou agitação térmica) das moléculas. Com o aumento da temperatura da água, há transferência de calor aos demais constituintes do alimento.
Raios X
São ondas eletromagnéticas com frequências no intervalo próximo de 1015 Hz a 1021 Hz. Os aparelhos de radiografia geram uma imagem por meio dos raios X capazes de atravessar o corpo humano. Essas ondas são absorvidas por todo corpo, principalmente pelos tecidos mais rígidos, como os ossos. Isso permite então gerar regiões claras na imagem. As partes com baixa absorção, ou seja, em que os raios atravessam livremente, geram regiões mais escuras na imagem.
A radiografia é um exame diagnóstico importante. Porém, a exposição repetida a raios X pode oferecer riscos à saúde. Por esse motivo, os profissionais que realizam esses exames ficam o mais distante possível da fonte emissora e utilizam equipamentos apropriados para proteção, como aventais de chumbo, capazes de atenuar parte da radiação.
As imagens obtidas por meio da radiografia permitem diagnosticar, entre outras coisas, fraturas ósseas.
Raios gama
Trata-se de ondas eletromagnéticas com frequência superior e mais penetrante que os raios X. Uma das principais formas de obtenção de raios gama é por meio de decaimentos nucleares de certos materiais radioativos ou por meio de fissões nucleares. Processos envolvendo átomos de elementos químicos radioativos em usinas nucleares podem produzir essa radiação. Porém, em virtude de seu alto grau de penetração na matéria, devem ser realizados em locais altamente blindados. Os raios gama são usados de modo adequado em uma técnica chamada radioterapia, aplicada no tratamento de pacientes com câncer.
Na radioterapia, os raios gama são direcionados para a região do corpo com o tumor, a fim de destruí-lo ou para impedir a multiplicação das células cancerígenas.
Ondas de rádio
São aplicadas em aparelhos de rádio, televisores etc. Entre elas, estão as ondas conhecidas como AM (do inglês, amplitude modulation) e FM (do inglês, frequency modulation). Em ambos os casos, a transmissão é realizada por meio da modulação do sinal de sua amplitude (AM) ou de sua frequência (FM).
As emissoras de rádio AM usam ondas eletromagnéticas com frequências no intervalo entre 535 kHz e 1 605 kHz (1 kHz = 103 Hz). As transmissões em FM são realizadas com ondas na faixa de frequências entre 88 MHz e 108 MHz (1 MHz = 106 Hz). Ao contrário do AM, o sinal FM sofre pouca ou nenhuma interferência de raios ou de fios de alta-tensão, porém apresenta alcance bem menor.
Cada emissora de rádio tem uma frequência específica. Assim, quando sintonizamos determinada emissora, selecionamos sua frequência.
Infravermelho
Esse termo significa “abaixo do vermelho”. Refere-se a um conjunto de ondas eletromagnéticas com frequências no intervalo próximo de 1012 Hz a 1014 Hz. O calor que sentimos ao aproximar nossa mão de uma fonte luminosa é resultado da radiação infravermelha emitida por ela. Em razão da temperatura dessas ondas, todos os objetos emitem radiação eletromagnética, a qual, nesse caso, chamamos de radiação térmica.
Controles remotos são exemplos de dispositivos em que se utiliza esse tipo de onda eletromagnética. O funcionamento deles envolve o envio de mensagens codificadas por meio do infravermelho para o aparelho controlado. Ao apertarmos o botão do controle, uma luz pisca e emite pulsos que compõem um código, que por sua vez é transformado em comandos pelos aparelhos, como a televisão.
Na medicina, lâmpadas de infravermelho são usadas para tratar doenças de pele ou aliviar dores musculares. Em ambos os casos, os raios infravermelhos atravessam a pele do paciente e produzem calor, fundamental nesses processos.
Ultravioleta
Esse termo significa “acima do violeta”. Refere-se a um conjunto de ondas eletromagnéticas com frequências no intervalo próximo de 1015 Hz a 1017 Hz. Os raios solares são formados por ondas ultravioletas e por ondas de outras frequências, como o infravermelho e a luz visível.
A luz ultravioleta pode oferecer riscos a muitos organismos. Por isso, nossa sobrevivência depende da absorção de parte desses raios por moléculas presentes na atmosfera. Nos seres humanos, por exemplo, a exposição excessiva à luz ultravioleta pode provocar câncer de pele, uma vez que ela é capaz de causar mutação diretamente no DNA das células epidérmicas.
Na medicina, ondas ultravioletas podem ser utilizadas para matar bactérias. Em alguns hospitais, lâmpadas germicidas que emitem essa radiação são aplicadas para esterilizar equipamentos e instrumentos em salas de cirurgia.
A detecção de alguns fungos em gatos pode ser feita por meio da luz ultravioleta. Isso é possível porque alguns desses organismos têm substâncias que emitem luz ao serem expostas a esse tipo de radiação.
Luz visível
O intervalo de frequência da luz visível é de 4,3 . 1014 a 7,5 . 1014 Hz. As lâmpadas iluminam os ambientes por meio da emissão de ondas nessa faixa de frequência. Como o olho humano é sensibilizado apenas por ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda entre 400 nm e 750 nm, essas ondas se enquadram na faixa chamada de luz visível.
Ao ser decomposta, ela passa a apresentar ondas com diferentes comprimentos, as quais correspondem às cores do arco-íris, que por sua vez são infinitas, pelo fato de existirem inúmeros tons de vermelho, amarelo, azul etc.
Por: Messias Rocha de Lira
Veja também:
- Eletromagnetismo
- Espectro Eletromagnético
- Radiação Eletromagnética
- Fenômenos Ondulatórios