As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que correspondem a campos originados por cargas elétricas aceleradas. O século 19 foi o século dos grandes avanços da eletricidade e do magnetismo, mas até a primeira metade dele os cientistas ainda desconheciam a relação entre os dois fenômenos, acreditando que eram independentes um do outro..
Foi o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) quem mostrou ao mundo que eletricidade e magnetismo eram apenas duas faces da mesma moeda. Ambos os fenômenos estão intimamente relacionados.
Índice do artigo
Maxwell unificou a teoria da eletricidade e do magnetismo em 4 elegantes e concisas equações, cujas previsões foram logo confirmadas:
Que evidências Maxwell teve para desenvolver sua teoria eletromagnética?
Já era fato que correntes elétricas (cargas em movimento) produzem campos magnéticos, e por sua vez um campo magnético variável origina correntes elétricas em circuitos condutores, o que implicaria que um campo magnético variável induz um campo elétrico..
O fenômeno reverso poderia ser possível? Os campos elétricos variáveis seriam capazes de gerar campos magnéticos??
Maxwell, um discípulo de Michael Faraday, estava convencido da existência de simetrias na natureza. Os fenômenos elétricos e magnéticos também tiveram que obedecer a esses princípios.
Segundo o pesquisador, campos oscilantes gerariam distúrbios da mesma forma que uma pedra jogada em um lago gera ondas. Essas perturbações nada mais são do que campos elétricos e magnéticos oscilantes, que Maxwell chamou precisamente de ondas eletromagnéticas..
As equações de Maxwell previram a existência de ondas eletromagnéticas com velocidade de propagação igual à velocidade da luz. A previsão foi confirmada pouco depois pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857 - 1894), que conseguiu gerar essas ondas em seu laboratório usando um circuito LC. Isso ocorreu logo após a morte de Maxwell.
Para verificar a exatidão da teoria, Hertz teve que construir um dispositivo detector que lhe permitisse encontrar o comprimento de onda e a frequência, dados a partir dos quais ele foi capaz de calcular a velocidade das ondas de rádio eletromagnéticas, coincidindo com a velocidade da luz..
O trabalho de Maxwell foi recebido com ceticismo pela comunidade científica da época. Talvez em parte porque Maxwell era um matemático brilhante e apresentou sua teoria com toda a formalidade do caso, que muitos não conseguiram entender..
No entanto, o experimento de Hertz foi brilhante e atraente. Seus resultados foram bem recebidos e as dúvidas sobre a veracidade das previsões de Maxwell foram esclarecidas..
A corrente de deslocamento é criação de Maxwell, surgida a partir de uma profunda análise da lei de Ampère, que estabelece que:
Portanto, o termo à direita na lei de Ampère, que envolve a corrente, não é nulo e nem o membro à esquerda. Conclusão imediata: há um campo magnético.
Porém, não há corrente que atravesse ou cruze a superfície curva S ', que tem o mesmo contorno C, pois esta superfície engloba parte do que está no espaço entre as placas do condensador, que podemos supor ser ar ou outra substância. não condutivo.
Nessa região não existe nenhum material condutor através do qual qualquer corrente flua. Deve ser lembrado que para uma corrente fluir, o circuito deve estar fechado. Como a corrente é zero, a integral à esquerda na lei de Ampère é 0. Não há campo magnético, há??
Definitivamente, há uma contradição. S 'também é limitado pela curva C e a existência do campo magnético não deve depender da superfície a que C limita..
Maxwell resolveu a contradição introduzindo o conceito de corrente de deslocamento iD.
Enquanto o capacitor está carregando, um campo elétrico variável existe entre as placas e a corrente flui através do condutor. Quando o capacitor carrega, a corrente no condutor cessa e um campo elétrico constante é estabelecido entre as placas..
Então Maxwell deduziu que, associada ao campo elétrico variável, deve existir uma corrente que ele chamou de corrente de deslocamento iD, uma corrente que não envolve movimento de carga. Para a superfície S 'é válido:
A corrente elétrica não é um vetor, embora tenha magnitude e significado. É mais apropriado relacionar os campos a uma quantidade que é vetor: a densidade de corrente J,cuja magnitude é o quociente entre a corrente e a área por onde passa. As unidades de densidade de corrente no Sistema Internacional são amperes / mdois.
Em termos deste vetor, a densidade de corrente de deslocamento é:
Desta forma, quando a lei de Ampère é aplicada ao contorno C e a superfície S é usada, iC é a corrente que o atravessa. Ao invés euC não cruza S ', mas euD se isso acontecer.
1-Um capacitor de placa plana paralela circular está sendo carregado. O raio das placas é de 4 cm e em um dado instante a corrente de condução iC = 0,520 A. Há ar entre as placas. Achar:
a) A densidade de corrente de deslocamento JD no espaço entre as placas.
b) A taxa na qual o campo elétrico entre as placas está mudando.
c) O campo magnético induzido entre as placas a uma distância de 2 cm do eixo axial.
d) A mesma questão que em c), mas a uma distância de 1 cm do eixo axial.
Para a magnitude da densidade de corrente JD a área das placas é necessária:
Área da placa: A = πrdois = π. (4 x 10-dois m)dois = 0,00503 mdois.
O campo elétrico é uniforme entre as placas, a densidade de corrente também é, uma vez que são proporcionais. Além disso, euC = iD para continuidade, então:
Densidade atual JD = 0,520 A / 0,00503 mdois = 103,38 A / mdois.
A taxa de variação do campo elétrico é (dE / dt). É necessária uma equação para encontrá-lo, partindo dos primeiros princípios: a definição de corrente, a definição de capacitância e a capacitância para um capacitor de placa plana paralela.
- Por definição, a corrente é a derivada da carga em relação ao tempo iC = dq / dt
- A capacitância do capacitor é C = q / v, onde q é a carga ev é a diferença de potencial.
- Por sua vez, a capacidade do capacitor de placa plana paralela é: C = εouDe Anúncios.
Letras minúsculas são usadas para indicar correntes e tensões que variam com o tempo. Ao combinar a segunda e a terceira equações, a carga é como:
q = C.v = (εouA / d) .v = εouA (v / d) = εouAE
Aqui εou é a permissividade do vácuo cujo valor é 8,85 x 10-12 Cdois/N.mdois. Portanto, levando este resultado para a primeira equação, obtemos uma expressão que contém a taxa de variação do campo elétrico:
euC = dq / dt = d (εouAE) / dt = εouA (dE / dt)
Resolver para dE / dt permanece:
(dE / dt) = iC/ (εouA) = jD/ εou
Substituindo valores:
dE / dt = (103,38 A / mdois) / (8,85 x 10-12 Cdois/N.mdois ) = 1,17 x 1013 (N / C) / s
O resultado é aproximadamente 1 seguido por 13 zeros. Definitivamente, o campo elétrico está variando muito rapidamente.
Para encontrar a magnitude do campo magnético é necessário aplicar a lei de Ampère, escolhendo um caminho circular de raio r dentro das placas e concêntrico a elas, cujo raio é R:
Por outro lado, na integral os vetores B e dl são paralelos, de modo que o produto escalar é simplesmente Bdl, Onde dl é um diferencial de caminho sobre C. O campo B é constante em todo o caminho C e está fora da integral:
Avaliando a equação obtida na seção anterior, para r = 1 cm = 0,01 m:
As ondas eletromagnéticas são ondas transversais onde os campos elétricos e magnéticos são perpendiculares entre si e ao mesmo tempo na direção de propagação da onda.
A seguir, veremos suas características mais notáveis.
A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é c ≈3,00 x108 m / s, independentemente do comprimento de onda e valores de frequência.
As ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo e em algum meio material, ao contrário das ondas mecânicas que requerem um meio.
A relação entre velocidade c, o comprimento de onda λ e a frequência F de ondas eletromagnéticas no vácuo é c = λ.f.
As magnitudes dos campos elétricos e magnéticos estão relacionadas por E = cB.
Em um determinado meio, é possível mostrar que a velocidade das ondas eletromagnéticas é dada pela expressão:
Em que ε e μ são as respectivas permissividade e permeabilidade do meio em questão.
Uma radiação eletromagnética com energia OU tem uma quantidade associada de movimento p cuja magnitude é: p = OU/c.
As ondas eletromagnéticas têm uma ampla gama de comprimentos de onda e frequências. Eles estão agrupados no que é conhecido como espectro eletromagnético, que foi dividido em regiões, que são nomeadas a seguir, começando com os comprimentos de onda mais longos:
Localizados no extremo do comprimento de onda mais longo e da frequência mais baixa, eles variam de alguns a um bilhão de Hertz. Eles são usados para transmitir um sinal com informações de vários tipos e são captados pelas antenas. Televisão, rádio, celulares, planetas, estrelas e outros corpos celestes os transmitem e podem ser capturados.
Localizados nas frequências ultra alta (UHF), super alta (SHF) e extremamente alta (EHF), variam entre 1 GHz e 300 GHz. Ao contrário dos anteriores, que podem medir até 1,6 km, as microondas variam de alguns centímetros a 33 cm.
Devido à sua posição no espectro, entre 100.000 e 400.000 nm, eles são usados para transmitir dados em frequências que não sofrem interferência de ondas de rádio. Por isso, são aplicados em tecnologia de radar, telefones celulares, fornos de cozinha e soluções de informática..
Sua oscilação é o produto de um dispositivo conhecido como magnetron, que é uma espécie de cavidade ressonante que possui 2 imãs de disco nas extremidades. O campo eletromagnético é gerado pela aceleração dos elétrons do cátodo.
Essas ondas de calor são emitidas por corpos térmicos, alguns tipos de lasers e diodos emissores de luz. Embora tendam a se sobrepor a ondas de rádio e microondas, seu alcance é entre 0,7 e 100 micrômetros..
As entidades geralmente produzem calor que pode ser detectado por óculos noturnos e pela pele. Eles são frequentemente usados para controles remotos e sistemas de comunicação especiais.
Na divisão referencial do espectro encontramos a luz perceptível, que possui comprimento de onda entre 0,4 e 0,8 micrômetros. O que distinguimos são as cores do arco-íris, onde a frequência mais baixa é caracterizada pelo vermelho e a mais alta pelo violeta..
Seus valores de comprimento são medidos em nanômetros e Angstrom, ele representa uma parte muito pequena de todo o espectro e esta faixa inclui a maior quantidade de radiação emitida pelo sol e estrelas. Além disso, é o produto da aceleração dos elétrons em trânsitos de energia.
Nossa percepção das coisas é baseada na radiação visível que incide sobre um objeto e depois sobre os olhos. Então o cérebro interpreta as frequências que dão origem à cor e aos detalhes presentes nas coisas.
Essas ondulações estão na faixa de 4 a 400 nm, são geradas pelo sol e outros processos que emitem grandes quantidades de calor. A exposição prolongada a essas ondas curtas pode causar queimaduras e certos tipos de câncer em seres vivos..
Por serem produtos de saltos de elétrons em moléculas e átomos excitados, sua energia está envolvida em reações químicas e são usados na medicina para esterilizar. Eles são responsáveis pela ionosfera, uma vez que a camada de ozônio evita seus efeitos nocivos sobre a terra.
Essa designação se deve ao fato de serem ondas eletromagnéticas invisíveis, capazes de passar por corpos opacos e produzir impressões fotográficas. Localizados entre 10 e 0,01 nm (30 a 30.000 PHz), eles são o resultado de elétrons saltando de órbitas em átomos pesados.
Esses raios podem ser emitidos pela coroa solar, pulsares, supernovas e buracos negros devido à sua grande quantidade de energia. Sua exposição prolongada causa câncer e são usados na área médica para obter imagens de estruturas ósseas..
Localizadas na extremidade esquerda do espectro, elas são as ondas com maior frequência e geralmente ocorrem em buracos negros, supernovas, pulsares e estrelas de nêutrons. Eles também podem ser o resultado de fissão, explosões nucleares e raios.
Por serem gerados por processos de estabilização no núcleo atômico após emissões radioativas, eles são letais. Seu comprimento de onda é subatômico, permitindo que passem através dos átomos. No entanto, eles são absorvidos pela atmosfera da Terra.
As ondas eletromagnéticas têm as mesmas propriedades de reflexão e reflexão das ondas mecânicas. E junto com a energia que propagam, eles também podem transportar informações.
Por causa disso, diferentes tipos de ondas eletromagnéticas foram aplicadas a um grande número de tarefas diferentes. A seguir, veremos alguns dos mais comuns.
Pouco depois de ser descoberto, Guglielmo Marconi provou que eles podem ser uma excelente ferramenta de comunicação. Desde sua descoberta pela Hertz, as comunicações sem fio com frequências de rádio, como rádio AM e FM, televisão, telefones celulares e muito mais, tornaram-se cada vez mais difundidas em todo o mundo..
Eles podem ser usados para aquecer alimentos, porque a água é uma molécula dipolo capaz de responder a campos elétricos oscilantes. Os alimentos contêm moléculas de água que, quando expostas a esses campos, começam a oscilar e a colidir umas com as outras. O efeito resultante é o aquecimento.
Também podem ser usados em telecomunicações, devido à capacidade de viajar na atmosfera com menos interferência do que outras ondas de maior comprimento de onda..
A aplicação mais característica do infravermelho são os dispositivos de visão noturna. Eles também são usados na comunicação entre dispositivos e em técnicas espectroscópicas para o estudo de estrelas, nuvens de gás interestelar e exoplanetas..
Com eles você também pode criar mapas de temperatura corporal, que são usados para identificar alguns tipos de tumores cuja temperatura é superior à dos tecidos circundantes.
A luz visível constitui uma grande parte do espectro emitido pelo Sol, ao qual a retina responde.
Os raios ultravioleta têm energia suficiente para interagir com a matéria de forma significativa, portanto, a exposição contínua a essa radiação causa envelhecimento prematuro e aumenta o risco de desenvolver câncer de pele..
Os raios X e gama têm ainda mais energia e, portanto, são capazes de penetrar nos tecidos moles, por isso, quase desde o momento de sua descoberta, têm sido usados para diagnosticar fraturas e examinar o interior do corpo em busca de doenças..
Os raios X e os raios gama são usados não apenas como uma ferramenta de diagnóstico, mas como uma ferramenta terapêutica para a destruição de tumores..
Ainda sem comentários