Ondas Eletromagneticas

1. Introdução

Todos nós ouvimos tantas vezes palavras como: luz, ondas de TV, radiação ultravioleta,

raios X. Como essas palavras são diferentes, muitos podem pensar que elas indicam coisas completamente diferentes. Porém, todas essas palavras referem-se aos vários tipos de um único ente, chamado onda eletromagnética. Neste trabalho apresenta o que são e quais são as ondas eletromagnéticas, juntando-as em um esquema chamado espectro eletromagnético. Revisaremos também o assunto sobre efeito Doppler, que é descrito diferentemente em relação ao caso das ondas mecânicas por causa dos efeitos relativísticos sofridos pelas ondas eletromagnéticas. A finalidade deste trabalho é explorar propriedades das ondas eletromagnéticas. As leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo (as equações de Maxwell que são à base de todos os fenômenos eletromagnéticos.

2. Ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas são ondas formadas pela combinação dos campos magnético e elétrico que se propagam no espaço perpendicularmente, um em relação ao outro e na direção de propagação da energia. A primeira previsão da existência de ondas eletromagnéticas foi feita, em 1864, pelo físico escocês, James Clerk Maxwell, ficou conhecido por desenvolver o trabalho mais notável na área do eletromagnetismo no século XIX. 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. 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 dando-as a essas teorias uma nova visão, estruturando um conjunto de equações que resume todos os conhecimentos sobre o eletromagnetismo, as quais ficaram conhecidas como equações de Maxwell. Essas quatro equações são (1) a lei de Gauss para os campos elétricos; (2) a lei de Gauss para os campos magnéticos, mostrando a ausência de monopolos magnéticos; (3) a lei de Farady; e (4) a lei de Ampère, incluindo a corrente de deslocamento:

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:

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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:

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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.

Além de descrever o comportamento do campo elétrico e do campo magnético, as equações de Maxwell possibilitaram a previsão da existência das ondas eletromagnéticas, as quais são muito conhecidas e empregadas na ciência e na tecnologia. São ondas eletromagnéticas: as ondas de rádio, as micro-ondas, a radiação infravermelha, os raios X e raios gama e a luz visível ao olho humano.

Maxwell mostrou que a velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo deveria ser:

c=1/(√μ_0 ε_0 ) ∈_0=1/4πk

Onde ε_0 é a permissividade elétrica do vácuo e μ_0 é a permeabilidade magnética do vácuo. Aplicando os valores de ε_0 e de μ_0 na expressão acima, encontra-se a velocidade:

c≅3,0×〖10〗^8 m/s

Ou

c=2,99792458×〖10〗^8 m/s (valor exato) ,que é igual à velocidade da luz.

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

“Esta velocidade é tão próxima da velocidade da luz que parece que temos fortes motivos para concluir que a luz em si (incluindo calor radiante, e outras radiações do tipo) é uma perturbação eletromagnética na forma de ondas propagadas através do campo eletromagnético de acordo com as leis eletromagnéticas.” (1865)

2.1 PROPRIEDADES DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

O comportamento do campo magnético é semelhante ao do campo elétrico, porém em direções perpendiculares. Os campos elétricos e magnéticos são perpendiculares à direção de propagação da onda (onda transversal). Os campos variam senoidalmente com a mesma freqüência e estão em fase.

Propagação de uma onda eletromagnética

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De acordo com essas propriedades, podemos descrever os campos através de funções senoidais no sentido da propagação da onda e do tempo:

E = E_m sen (kx – ωt) (1)

B = B_m sen (kx – ωt) (2)

Onde