Ondas Eletromagnéticas Física 4 Ondas Eletromagnéticas Prof. Alexandre W. Arins

O escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) foi um dos maiores físicos de todos os tempos. O seu trabalho mais notável e que o equiparara a Newton e a Einstein foi realizado no estudo do Eletromagnetismo – nele Maxwell deduziu um modelo para a descrição dos fenômenos eletromagnéticos até então conhecidos. Seu estudo foi concluído com um conjunto de equações que fundamentam o Eletromagnetismo, conhecido como equações de Maxwell, e lhe permitiu prever a existência de ondas eletromagnéticas, previsão confirmada nove anos depois da sua morte pelo físico alemão Heinrich Hertz. James Clerk Maxwell (1831 – 1879)

De acordo com a lei de Faraday, a variação do fluxo do campo magnético faz aparecer num circuito uma força eletromotriz e uma corrente elétrica induzidas. Sabemos ainda que uma corrente elétrica aparece num condutor quando neste surge um campo elétrico. A variação de um campo magnético em determinada região do espaço provoca o aparecimento de um campo elétrico nessa mesma região.

Maxwell concluiu que, se a variação do fluxo do campo magnético dá origem a um campo elétrico, uma variação do fluxo do campo elétrico deve originar um campo magnético, o que completava a simetria presente em todos os fenômenos eletromagnéticos descobertos até meados do século XIX.

Ondas Eletromagnéticas As cargas elétricas geram ao seu redor campos elétricos; em movimento elas também geram campos magnéticos (Descoberta de Oersted). As cargas elétricas, quando aceleradas, produzem ondas eletromagnéticas.

Ondas Eletromagnéticas As estações transmissoras de radio e TV são fontes de ondas eletromagnéticas. A parte fundamental destas estações é um circuito oscilante que induz na antena uma corrente elétrica oscilante. Os elétrons livres são fortemente acelerados e retardados emitindo, desta forma,  ondas eletromagnéticas cuja freqüência é a mesma do vai-e-vem dos elétrons na antena. Uma vez emitida as ondas eletromagnéticas propagam-se no espaço até serem absorvidas pela matéria ou captadas por antenas receptoras de radio e/ou televisão.

Velocidade de propagação das Ondas Eletromagnéticas

Características das Ondas Comprimento de onda: λ (lambda) distância entre pontos idênticos em ondas sucessivas… picos ou vales. Frequência: f número de ondas que passam por um determinado ponto em um segundo. Amplitude: a distância vertical da linha média das ondas até o topo do pico ou a parte inferior do vale.

Características das Ondas Equação da velocidade: Onde v - velocidade da onda (m/s) c = 3,0 x 108 m/s (velocidade da Luz no vácuo)‏ l - comprimento de onda (metros, m) f - frequência (hertz, Hz) As equações de Maxwell permitem obter a relação entre o módulo do vetor campo elétrico E e o módulo do vetor campo magnético B em cada ponto do espaço vácuo:

Espectro Eletromagnético

Espectro Eletromagnético

Ondas de Radiofrequência (RF)

Microondas

Infravermelho e Ultravioleta

Luz Visível

Dispersão da Luz branca Quando a luz branca incide sobre uma superfície que separa dois meios surge um leque de cores. Esse fenômeno é denominado dispersão da luz e acontece em razão da diferença de incidência de refração, como também da diferença de velocidade de propagação do feixe de luz.

Índices de refração: mesmo meio e luzes diferentes Luz monocromática Índice de refração (n) de um bloco de vidro Violeta 1,532 Azul 1,528 Verde 1,519 Amarela 1,517 Alaranjada 1,514 Vermelha 1,513

Formação do Arco-Íris

Formação do Arco-Íris

Formação do Arco-Íris

Raios X

Raios Gama (γ) Os raios gama são produzidos na passagem de um núcleo atômico de um nível excitado para outro de menor energia, e na desintegração de isótopos radioativos. Estão geralmente associados com a energia nuclear e aos reatores nucleares. A radioatividade se encontra no nosso meio natural, desde os raios cósmicos que bombardeiam a Terra provenientes do Sol, das estrelas e das galáxias fora do nosso sistema solar, até alguns isótopos radioativos que fazem parte do nosso meio natural.

Pressão de Radiação A pressão de radiação é a pressão exercida sobre certa superfície devido à incidência de uma onda eletromagnética. I é a intensidade de radiação (W/m2) que incide normalmente sobre a área S de um anteparo, que a absorve integralmente. A unidade da pressão de radiação no SI é pascal (Pa).

Velejando com a radiação solar A Agência de Exploração Aeroespacial do Japão lançou em 2010 sua nave solar Ikaros (de Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun, expressão que pode ser traduzida como ‘pipa interplanetária acelerada pela radiação solar’).

LUZ: DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA No século XVII, havia uma grande controvérsia sobre a natureza da luz visível. Duas teorias tentavam estabelecer respostas para esta questão: A teoria corpuscular de Isaac Newton A teoria ondulatória do físico holandês Christiaan Huygens.

LUZ: DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA

LUZ – Comportamento Corpuscular A Descoberta de Hertz Em 1887 Hertz obteve a primeira evidência da relação da luz com fenômenos elétricos. Hertz notou que a centelha elétrica entre o ânodo e o cátodo acontecia mais facilmente quando o cátodo (o pólo negativo) era exposto à luz ultravioleta.

Efeito Fotoelétrico Elétrons ejetados da superfície de um metal quando expostos à luz de determinada freqüência Einstein propôs que partículas de luz são realmente fótons (pacotes de energia luminosa) e deduziu que: Efóton = hf

Efeito Fotoelétrico - Teoria Quântica Os fótons são como pacotes de energia (E) proporcional à frequência (f ) da radiação: onde E = energia (joules - J) h = constante de Planck ( 6,63 x 1034 Js) f = frequência (hertz - Hz)

Efeito Fotoelétrico Assim, dos incontáveis fótons da radiação que incide no material, parte deles, por um processo individual de interação fóton-elétron, transfere toda sua energia à parcela equivalente dos incontáveis elétrons livres do material. Se essa energia for suficiente, cada elétron que a adquire pode abandonar o material — nesse processo ele realiza pelo menos um trabalho mínimo cujo valor é uma constante característica de cada material, chamada função trabalho (τM). Einstein formulou e exprimiu matematicamente a lei do efeito fotoelétrico que determina a energia cinética do elétron emitido:

Efeito Fotoelétrico

O Prêmio Nobel de Einstein O ano de 1905 é considerado o "annus mirabili" da vida científica de Albert Einstein. Ao longo deste ano ele publicou cinco artigos, três dos quais revolucionaram a física. Entre estes encontra-se sua abordagem ao problema do efeito fotoelétrico. Albert Einstein (1879 – 1955) O Prêmio Nobel de 1921 foi concedido a Albert Einstein com a seguinte justificativa: "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect". “pelas suas contribuições à Física Teórica, e especialmente pela sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico”.

Somente as ondas transversais podem ser polarizadas LUZ – Comportamento Ondulatório Fenômenos ondulatórios: reflexão, refração e polarização Polarização Thomas Young (1773-18290), através da experiência descrita a seguir, demonstrou que a luz possuía natureza ondulatória, pois os fenômenos de difração e interferência descritos nessa experiência, são de características exclusivamente ondulatórias. Somente as ondas transversais podem ser polarizadas