Radiação eletromagnética

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Uma onda eletromagnética senoidal linearmente polarizada , propagando-se na direção + z por meio de um meio homogêneo, isotrópico e sem dissipação, como o vácuo. O campo elétrico ( setas azuis ) oscila na direção ± x , e o campo magnético ortogonal ( setas vermelhas ) oscila em fase com o campo elétrico, mas na direção ± y .

Na física , a radiação eletromagnética ( radiação EM ou EMR ) refere-se às ondas (ou seus quanta , fótons ) do campo eletromagnético , propagando-se pelo espaço, transportando energia eletromagnética radiante . [1] Inclui ondas de rádio , microondas , infravermelho , luz (visível) , ultravioleta , raios X e raios gama . Todas essas ondas fazem parte do espectro eletromagnético . [2]

Classicamente , a radiação eletromagnética consiste em ondas eletromagnéticas , que são oscilações sincronizadas de campos elétricos e magnéticos . A radiação eletromagnética ou ondas eletromagnéticas são criadas devido à mudança periódica do campo elétrico ou magnético. Dependendo de como essa mudança periódica ocorre e da energia gerada, diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético são produzidos. No vácuo, as ondas eletromagnéticas viajam à velocidade da luz , comumente denotada por c . Em meios homogêneos e isotrópicos, as oscilações dos dois campos são perpendiculares entre si e perpendiculares à direção da energia e propagação da onda, formando umonda transversal . A frente de onda das ondas eletromagnéticas emitidas por uma fonte pontual (como uma lâmpada) é uma esfera . A posição de uma onda eletromagnética dentro do espectro eletromagnético pode ser caracterizada por sua frequência de oscilação ou seu comprimento de onda . As ondas eletromagnéticas de frequências diferentes são chamadas por nomes diferentes, uma vez que têm diferentes fontes e efeitos na matéria. Em ordem de frequência crescente e comprimento de onda decrescente são: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama. [3]

Ondas eletromagnéticas são emitidas por partículas eletricamente carregadas em aceleração, [4] [5] e essas ondas podem posteriormente interagir com outras partículas carregadas, exercendo força sobre elas. As ondas EM carregam energia , momento e momento angular para longe de sua partícula de origem e podem transmitir essas quantidades à matéria com a qual interagem. A radiação eletromagnética está associada às ondas EM que são livres para se propagar ("irradiar") sem a influência contínua das cargas móveis que as produziram, porque alcançaram uma distância suficiente dessas cargas. Assim, EMR às vezes é referido como o campo distante. Nessa linguagem, o campo próximo se refere a campos EM próximos às cargas e à corrente que os produziram diretamente, especificamente indução eletromagnética e fenômenos de indução eletrostática .

Na mecânica quântica , uma forma alternativa de ver o EMR é que ele consiste em fótons , partículas elementares não carregadas com massa de repouso zero que são os quanta do campo eletromagnético , responsáveis ​​por todas as interações eletromagnéticas. [6] Eletrodinâmica quântica é a teoria de como EMR interage com a matéria em um nível atômico. [7] Os efeitos quânticos fornecem fontes adicionais de EMR, como a transição de elétrons para níveis mais baixos de energia em um átomo e radiação de corpo negro . [8]A energia de um fóton individual é quantizada e é maior para fótons de frequência mais alta. Essa relação é dada pela equação de Planck E = hf , onde E é a energia por fóton, f é a frequência do fóton eh é a constante de Planck . Um único fóton de raio gama, por exemplo, pode transportar cerca de 100.000 vezes a energia de um único fóton de luz visível.

Os efeitos da EMR sobre compostos químicos e organismos biológicos dependem tanto da potência da radiação quanto de sua frequência. EMR de frequências visíveis ou mais baixas (ou seja, luz visível, infravermelho, microondas e ondas de rádio) é chamado de radiação não ionizante , porque seus fótons não têm energia suficiente para ionizar átomos ou moléculas individualmente ou quebrar ligações químicas . Os efeitos dessas radiações nos sistemas químicos e nos tecidos vivos são causados ​​principalmente pelos efeitos do aquecimento da transferência combinada de energia de muitos fótons. Em contraste, ultravioleta de alta frequência, raios-X e raios gama são chamados de radiação ionizante , uma vez que fótons individuais de alta frequência têm energia suficiente para ionizarmoléculas ou quebrar ligações químicas . Essas radiações têm a capacidade de causar reações químicas e danificar células vivas além do simples aquecimento, e podem ser perigosas para a saúde.

Física [ editar ]

Teoria [ editar ]

Mostra os comprimentos de onda relativos das ondas eletromagnéticas de três cores diferentes de luz (azul, verde e vermelho) com uma escala de distância em micrômetros ao longo do eixo x.

As equações de Maxwell [ editar ]

James Clerk Maxwell derivou uma forma de onda das equações elétricas e magnéticas , descobrindo assim a natureza ondulatória dos campos elétricos e magnéticos e sua simetria . Como a velocidade das ondas EM prevista pela equação de onda coincidia com a velocidade da luz medida , Maxwell concluiu que a própria luz é uma onda EM. [9] [10] As equações de Maxwell foram confirmadas por Heinrich Hertz por meio de experimentos com ondas de rádio.

[11] Maxwell percebeu que, uma vez que grande parte da física é simétrica e matematicamente artística de uma forma, também deve haver uma simetria entre eletricidade e magnetismo. Ele percebeu que a luz é uma combinação de eletricidade e magnetismo e, portanto, que os dois devem estar ligados. De acordo com as equações de Maxwell , um campo elétrico espacialmente variávelestá sempre associado a um campo magnético que muda com o tempo. [12]Da mesma forma, um campo magnético espacialmente variável está associado a mudanças específicas no campo elétrico ao longo do tempo. Em uma onda eletromagnética, as mudanças no campo elétrico são sempre acompanhadas por uma onda no campo magnético em uma direção e vice-versa. Essa relação entre os dois ocorre sem que nenhum tipo de campo cause o outro; em vez disso, eles ocorrem juntos da mesma maneira que as mudanças de tempo e espaço ocorrem juntos e estão interligados na relatividade especial. Na verdade, os campos magnéticos podem ser vistos como campos elétricos em outro sistema de referência e os campos elétricos podem ser vistos como campos magnéticos em outro sistema de referência, mas eles têm a mesma importância, já que a física é a mesma em todos os sistemas de referência, então o A estreita relação entre as mudanças de espaço e tempo aqui é mais do que uma analogia. Juntos, esses campos formam uma onda eletromagnética em propagação, que se move para o espaço e nunca mais precisa interagir com a fonte. O campo EM distante formado desta forma pela aceleração de uma carga carrega consigo energia que "irradia" para longe através do espaço, daí o termo.

Campos próximos e afastados [ editar ]

Na radiação eletromagnética (como microondas de uma antena, mostrada aqui), o termo "radiação" se aplica apenas às partes do campo eletromagnético que irradiam para o espaço infinito e diminuem em intensidade por uma lei do inverso do quadrado da potência, de modo que o total a energia da radiação que atravessa uma superfície esférica imaginária é a mesma, não importa quão longe da antena a superfície esférica esteja desenhada. A radiação eletromagnética, portanto, inclui a parte do campo distante do campo eletromagnético em torno de um transmissor. Uma parte do "campo próximo" próxima ao transmissor faz parte do campo eletromagnético variável , mas não conta como radiação eletromagnética.

As equações de Maxwell estabeleceram que algumas cargas e correntes ("fontes") produzem um tipo local de campo eletromagnético próximo a elas que não tem o comportamento de EMR. As correntes produzem diretamente um campo magnético, mas é do tipo dipolo magnético que se extingue com a distância da corrente. De maneira semelhante, cargas móveis separadas em um condutor por um potencial elétrico variável (como em uma antena) produzem um campo elétrico do tipo dipolo elétrico, mas isso também diminui com a distância. Esses campos constituem o campo próximoperto da fonte EMR. Nenhum desses comportamentos é responsável pela radiação EM. Em vez disso, eles causam comportamento de campo eletromagnético que apenas transfere energia de forma eficiente para um receptor muito próximo da fonte, como a indução magnética dentro de um transformador ou o comportamento de feedback que acontece perto da bobina de um detector de metal . Normalmente, os campos próximos têm um efeito poderoso em suas próprias fontes, causando um aumento da "carga" (diminuição da reatância elétrica) na fonte ou transmissor, sempre que a energia é retirada do campo EM por um receptor. Caso contrário, esses campos não se "propagam" livremente para o espaço, levando sua energia para longe sem limite de distância, mas oscilam, retornando sua energia ao transmissor se ela não for recebida por um receptor. [ citação necessária ]

Por outro lado, o campo distante EM é composto de radiação que está livre do transmissor no sentido de que (ao contrário do caso em um transformador elétrico) o transmissor requer a mesma potência para enviar essas mudanças nos campos para fora, se o sinal é imediatamente pegou ou não. Essa parte distante do campo eletromagnético é a "radiação eletromagnética" (também chamada de campo distante ). Os campos distantes se propagam (irradiam) sem permitir que o transmissor os afete. Isso faz com que sejam independentes no sentido de que sua existência e sua energia, após terem saído do transmissor, são completamente independentes do transmissor e do receptor. Devido à conservação de energia, a quantidade de energia que passa por qualquer superfície esférica desenhada ao redor da fonte é a mesma. Como essa superfície tem uma área proporcional ao quadrado de sua distância da fonte, a densidade de potência da radiação EM sempre diminui com o inverso do quadrado da distância da fonte; isso é chamado de lei do inverso do quadrado . Isso está em contraste com as partes dipolo do campo EM perto da fonte (o campo próximo), que variam em potência de acordo com uma lei de potência do cubo inverso e, portanto, não transportam uma quantidade conservada de energia ao longo das distâncias, mas em vez disso desaparecem com a distância, com sua energia (conforme observado) retornando rapidamente ao transmissor ou absorvida por um receptor próximo (como uma bobina secundária do transformador).

O campo distante (EMR) depende de um mecanismo diferente para sua produção do que o campo próximo e de termos diferentes nas equações de Maxwell. Enquanto a parte magnética do campo próximo é devido às correntes na fonte, o campo magnético em EMR é devido apenas à mudança local no campo elétrico. De forma semelhante, enquanto o campo elétrico no campo próximo é devido diretamente às cargas e à separação de cargas na fonte, o campo elétrico em EMR é devido a uma mudança no campo magnético local. Ambos os processos de produção de campos elétricos e magnéticos EMR têm uma dependência diferente da distância do que os campos elétricos e magnéticos dipolares de campo próximo. É por isso que o tipo de campo EMR EMR torna-se dominante em potência "longe" das fontes. O termo "longe das fontes"refere-se a quão longe da fonte (movendo-se à velocidade da luz) qualquer parte do campo EM de movimento para fora está localizada, no momento em que as correntes da fonte são alteradas pelo potencial variável da fonte, e a fonte, portanto, começou a gerar um movendo-se para fora do campo EM de uma fase diferente.[ citação necessária ]

Uma visão mais compacta do EMR é que o campo distante que compõe o EMR é geralmente aquela parte do campo EM que viajou distância suficiente da fonte, que se tornou completamente desconectado de qualquer feedback às cargas e correntes que foram originalmente responsáveis para isso. Agora, independente das cargas de origem, o campo EM, à medida que se afasta, depende apenas das acelerações das cargas que o produziram. Ele não tem mais uma conexão forte com os campos diretos das cargas, ou com a velocidade das cargas (correntes). [ citação necessária ]

Na formulação do potencial de Liénard-Wiechert dos campos elétricos e magnéticos devido ao movimento de uma única partícula (de acordo com as equações de Maxwell), os termos associados à aceleração da partícula são aqueles que são responsáveis ​​pela parte do campo que é considerada como radiação eletromagnética. Em contraste, o termo associado ao campo elétrico estático variável da partícula e o termo magnético que resulta da velocidade uniforme da partícula estão ambos associados ao campo próximo eletromagnético e não compreendem a radiação EM. [ citação necessária ]

Propriedades [ editar ]

As ondas eletromagnéticas podem ser imaginadas como uma onda oscilante transversal de autopropagação de campos elétricos e magnéticos. Esta animação 3D mostra uma onda plana polarizada linearmente se propagando da esquerda para a direita. Os campos elétrico e magnético em tal onda estão em fase um com o outro, alcançando mínimos e máximos juntos.

Eletrodinâmica é a física da radiação eletromagnética, e eletromagnetismo é o fenômeno físico associado à teoria da eletrodinâmica. Os campos elétricos e magnéticos obedecem às propriedades de superposição . Assim, um campo devido a qualquer partícula particular ou campo elétrico ou magnético variável no tempo contribui para os campos presentes no mesmo espaço devido a outras causas. Além disso, como são campos vetoriais , todos os vetores de campo magnético e elétrico somam-se de acordo com a adição do vetor . [13] Por exemplo, em óptica, duas ou mais ondas de luz coerentes podem interagir e por interferência construtiva ou destrutivaproduz uma irradiância resultante que se desvia da soma das irradiâncias componentes das ondas de luz individuais. [ citação necessária ]

Os campos eletromagnéticos de luz não são afetados por viajar através de campos elétricos estáticos ou magnéticos em um meio linear, como o vácuo. No entanto, em meios não lineares, como alguns cristais , podem ocorrer interações entre a luz e os campos elétricos e magnéticos estáticos - essas interações incluem o efeito Faraday e o efeito Kerr . [14] [15]

Na refração , uma onda que cruza de um meio para outro de densidade diferente altera sua velocidade e direção ao entrar no novo meio. A proporção dos índices de refração da mídia determina o grau de refração e é resumida pela lei de Snell . A luz de comprimentos de onda compostos (luz solar natural) se dispersa em um espectro visível passando por um prisma, devido ao índice de refração dependente do comprimento de onda do material do prisma ( dispersão ); ou seja, cada onda componente dentro da luz composta é dobrada em uma quantidade diferente. [16]

A radiação EM exibe propriedades de onda e propriedades de partícula ao mesmo tempo (ver dualidade onda-partícula) As características de onda e partícula foram confirmadas em muitos experimentos. As características das ondas são mais aparentes quando a radiação EM é medida em escalas de tempo relativamente grandes e em grandes distâncias, enquanto as características das partículas são mais evidentes ao medir escalas de tempo e distâncias pequenas. Por exemplo, quando a radiação eletromagnética é absorvida pela matéria, as propriedades do tipo partícula serão mais óbvias quando o número médio de fótons no cubo do comprimento de onda relevante for muito menor do que 1. Não é tão difícil observar experimentalmente deposição não uniforme de energia quando a luz é absorvida; no entanto, isso por si só não é evidência de comportamento "particulado". Em vez disso, reflete a natureza quântica da matéria . [17] Demonstrar que a própria luz é quantizada, não apenas sua interação com a matéria, é uma questão mais sutil.

Alguns experimentos mostram a natureza de onda e partícula das ondas eletromagnéticas, como a autointerferência de um único fóton . [18] Quando um único fóton é enviado através de um interferômetro , ele passa por ambos os caminhos, interferindo consigo mesmo, como fazem as ondas, mas é detectado por um fotomultiplicador ou outro detector sensível apenas uma vez.

Uma teoria quântica da interação entre radiação eletromagnética e matéria, como elétrons, é descrita pela teoria da eletrodinâmica quântica .

As ondas eletromagnéticas podem ser polarizadas , refletidas, refratadas, difratadas ou interferir umas nas outras. [19] [20] [21]

Modelo de onda [ editar ]

Representação do vetor de campo elétrico de uma onda de radiação eletromagnética circularmente polarizada.

Em meios homogêneos e isotrópicos, a radiação eletromagnética é uma onda transversal , [22] o que significa que suas oscilações são perpendiculares à direção de transferência e deslocamento de energia. As partes elétrica e magnética do campo têm uma proporção fixa de intensidades para satisfazer as duas equações de Maxwell que especificam como uma é produzida a partir da outra. Em mídia sem dissipação (sem perdas), esses campos E e B também estão em fase, com ambos atingindo máximos e mínimos nos mesmos pontos no espaço (consulte as ilustrações). Um equívoco comum [ carece de fontes? ] É que o E e Bcampos na radiação eletromagnética estão fora de fase porque uma mudança em um produz o outro, e isso produziria uma diferença de fase entre eles como funções senoidais (como de fato acontece na indução eletromagnética e no campo próximo perto das antenas). No entanto, na radiação EM de campo distante que é descrita pelas duas equações do operador Maxwell curl sem fonte , uma descrição mais correta é que uma mudança no tempo em um tipo de campo é proporcional a uma mudança no espaço no outro. Essas derivadas exigem que os campos E e B no EMR estejam em fase (consulte a seção matemática abaixo). [ citação necessária ]

Um aspecto importante da natureza da luz é sua frequência . A frequência de uma onda é sua taxa de oscilação e é medida em hertz , a unidade de frequência do SI , onde um hertz é igual a uma oscilação por segundo . A luz geralmente tem várias frequências que se somam para formar a onda resultante. Freqüências diferentes sofrem diferentes ângulos de refração, um fenômeno conhecido como dispersão .

Uma onda monocromática (uma onda de uma única frequência) consiste em depressões e cristas sucessivas, e a distância entre duas cristas ou depressões adjacentes é chamada de comprimento de onda . As ondas do espectro eletromagnético variam em tamanho, desde ondas de rádio muito longas, mais longas que um continente, até raios gama muito curtos, menores que os núcleos de átomos. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda, de acordo com a equação: [23]

onde v é a velocidade da onda ( c no vácuo ou menos em outro meio), f é a frequência e λ é o comprimento de onda. À medida que as ondas cruzam as fronteiras entre diferentes meios, suas velocidades mudam, mas suas frequências permanecem constantes.

As ondas eletromagnéticas no espaço livre devem ser soluções da equação de ondas eletromagnéticas de Maxwell . Duas classes principais de soluções são conhecidas, a saber, ondas planas e ondas esféricas. As ondas planas podem ser vistas como o caso limite de ondas esféricas a uma distância muito grande (idealmente infinita) da fonte. Ambos os tipos de ondas podem ter uma forma de onda que é uma função de tempo arbitrária (desde que seja suficientemente diferenciável para estar em conformidade com a equação de onda). Como acontece com qualquer função de tempo, isso pode ser decomposto por meio da análise de Fourier em seu espectro de frequência , ou componentes sinusoidais individuais, cada um dos quais contendo uma única frequência, amplitude e fase. Essa onda componente é considerada monocromática. Uma onda eletromagnética monocromática pode ser caracterizada por sua frequência ou comprimento de onda, sua amplitude de pico, sua fase em relação a alguma fase de referência, sua direção de propagação e sua polarização.

Interferência é a superposição de duas ou mais ondas resultando em um novo padrão de onda. Se os campos têm componentes na mesma direção, eles interferem construtivamente, enquanto direções opostas causam interferência destrutiva. Um exemplo de interferência causada por EMR é a interferência eletromagnética (EMI) ou como é mais comumente conhecida como interferência de radiofrequência (RFI). [ carece de fontes? ] Além disso, vários sinais de polarização podem ser combinados (ou seja, interferidos) para formar novos estados de polarização, que é conhecido como geração de estado de polarização paralela . [24]

A energia em ondas eletromagnéticas às vezes é chamada de energia radiante . [25] [26] [27]

Modelo de partículas e teoria quântica [ editar ]

Uma anomalia surgiu no final do século 19 envolvendo uma contradição entre a teoria ondulatória da luz e as medições dos espectros eletromagnéticos que estavam sendo emitidos por radiadores térmicos conhecidos como corpos negros . Os físicos lutaram com esse problema sem sucesso por muitos anos. Mais tarde, ficou conhecido como a catástrofe ultravioleta . Em 1900, Max Planck desenvolveu uma nova teoria da radiação de corpo negro que explicava o espectro observado. A teoria de Planck baseava-se na ideia de que os corpos negros emitem luz (e outras radiações eletromagnéticas) apenas como feixes ou pacotes discretos de energia . Esses pacotes foram chamados de quanta . Em 1905, Albert Einsteinpropôs que os quanta de luz fossem considerados partículas reais. Mais tarde, a partícula de luz recebeu o nome de fóton , para corresponder a outras partículas descritas nessa época, como o elétron e o próton . Um fóton tem uma energia, E , proporcional à sua frequência, f , por

onde h é a constante de Planck , é o comprimento de onda ec é a velocidade da luz . Às vezes, isso é conhecido como equação de Planck-Einstein . [28] Na teoria quântica (veja a primeira quantização ), a energia dos fótons é, portanto, diretamente proporcional à frequência da onda EMR. [29]

Da mesma forma, o momento p de um fóton também é proporcional à sua frequência e inversamente proporcional ao seu comprimento de onda:

A fonte da proposta de Einstein de que a luz era composta de partículas (ou poderia atuar como partículas em algumas circunstâncias) era uma anomalia experimental não explicada pela teoria das ondas: o efeito fotoelétrico , no qual a luz que atinge uma superfície de metal expele elétrons da superfície, causando uma corrente elétrica flua através de uma voltagem aplicada . Medidas experimentais demonstraram que a energia dos elétrons ejetados individuais era proporcional à frequência , ao invés da intensidade, da luz. Além disso, abaixo de uma certa frequência mínima, que dependia do metal em particular, nenhuma corrente fluía independentemente da intensidade. Essas observações pareciam contradizer a teoria das ondas e, durante anos, os físicos tentaram em vão encontrar uma explicação. Em 1905, Einstein explicou esse quebra-cabeça ressuscitando a teoria das partículas da luz para explicar o efeito observado. Por causa da preponderância de evidências a favor da teoria das ondas, no entanto, as idéias de Einstein foram recebidas inicialmente com grande ceticismo entre os físicos estabelecidos. Por fim, a explicação de Einstein foi aceita à medida que um novo comportamento da luz semelhante a uma partícula foi observado, como o efeito Compton . [ carece de fontes? ] [30]

À medida que um fóton é absorvido por um átomo , ele excita o átomo, elevando um elétron a um nível de energia mais alto (que está, em média, mais longe do núcleo). Quando um elétron em uma molécula ou átomo excitado desce a um nível de energia inferior, ele emite um fóton de luz com uma frequência correspondente à diferença de energia. Como os níveis de energia dos elétrons nos átomos são discretos, cada elemento e cada molécula emite e absorve suas próprias frequências características. A emissão imediata de fótons é chamada de fluorescência , um tipo de fotoluminescência . Um exemplo é a luz visível emitida por tintas fluorescentes, em resposta ao ultravioleta (luz negra) Muitas outras emissões fluorescentes são conhecidas em outras bandas espectrais além da luz visível. A emissão retardada é chamada de fosforescência . [31] [32]

Onda-partícula dualidade [ editar ]

A teoria moderna que explica a natureza da luz inclui a noção de dualidade onda-partícula. De forma mais geral, a teoria afirma que tudo tem uma natureza de partícula e uma natureza de onda, e vários experimentos podem ser feitos para revelar uma ou outra. A natureza da partícula é mais facilmente discernida usando um objeto com uma grande massa. Uma proposta ousada de Louis de Broglie em 1924 levou a comunidade científica a perceber que a matéria (por exemplo, elétrons ) também exibe dualidade onda-partícula. [33]

Efeitos de onda e de partículas de radiação electromagnética [ editar ]

Juntos, os efeitos de onda e partícula explicam completamente os espectros de emissão e absorção da radiação EM. A composição da matéria do meio através do qual a luz viaja determina a natureza do espectro de absorção e emissão. Essas bandas correspondem aos níveis de energia permitidos nos átomos. As bandas escuras no espectro de absorção são devidas aos átomos em um meio intermediário entre a fonte e o observador. Os átomos absorvem certas frequências da luz entre o emissor e o detector / olho, e então as emitem em todas as direções. Uma faixa escura aparece para o detector, devido à radiação espalhada para fora do feixe. Por exemplo, faixas escuras na luz emitida por uma estrela distante são devidas aos átomos na atmosfera da estrela. Um fenômeno semelhante ocorre para a emissão, que é visto quando um gás emissor brilha devido à excitação dos átomos de qualquer mecanismo, incluindo calor. À medida que os elétrons descem para níveis de energia mais baixos, é emitido um espectro que representa os saltos entre os níveis de energia dos elétrons, mas as linhas são vistas porque, novamente, a emissão acontece apenas em determinadas energias após a excitação. [34] Um exemplo é o espectro de emissão das nebulosas . [ carece de fontes? ] Elétrons que se movem rapidamente são mais intensamente acelerados quando encontram uma região de força, então eles são responsáveis ​​por produzir grande parte da radiação eletromagnética de maior frequência observada na natureza.

Esses fenômenos podem auxiliar em várias determinações químicas para a composição dos gases iluminados por trás (espectros de absorção) e para os gases brilhantes (espectros de emissão). A espectroscopia (por exemplo) determina quais elementos químicos compõem uma estrela específica. A espectroscopia também é usada na determinação da distância de uma estrela, usando o desvio para o vermelho . [35]

Velocidade de propagação [ editar ]

Quando qualquer fio (ou outro objeto condutor, como uma antena ) conduz corrente alternada , a radiação eletromagnética é propagada na mesma frequência da corrente. Em muitas dessas situações é possível identificar um momento de dipolo elétrico que surge da separação de cargas devido ao potencial elétrico de excitação, e esse momento de dipolo oscila no tempo, conforme as cargas se movem para frente e para trás. Essa oscilação em uma determinada frequência dá origem a campos elétricos e magnéticos variáveis, que então colocam a radiação eletromagnética em movimento. [ citação necessária ]

No nível quântico, a radiação eletromagnética é produzida quando o pacote de ondas de uma partícula carregada oscila ou acelera de outra forma. Partículas carregadas em um estado estacionário não se movem, mas uma superposição de tais estados pode resultar em um estado de transição que tem um momento de dipolo elétrico que oscila no tempo. Este momento dipolar oscilante é responsável pelo fenômeno de transição radiativa entre os estados quânticos de uma partícula carregada. Esses estados ocorrem (por exemplo) em átomos quando os fótons são irradiados à medida que o átomo muda de um estado estacionário para outro. [ citação necessária ]

Como uma onda, a luz é caracterizada por uma velocidade (a velocidade da luz ), comprimento de onda e frequência . Como partículas, a luz é um fluxo de fótons . Cada um tem uma energia relacionada à frequência da onda dada pela relação de Planck E = hf , onde E é a energia do fóton, h é a constante de Planck , 6,626 × 10 −34 J · s, ef é a frequência da onda . [36]

Uma regra é obedecida independentemente das circunstâncias: a radiação EM no vácuo viaja à velocidade da luz , em relação ao observador , independentemente da velocidade do observador. (Esta observação levou ao desenvolvimento de Einstein da teoria da relatividade especial .) [ Carece de fontes? ] Em um meio (diferente do vácuo), o fator de velocidade ou índice de refração são considerados, dependendo da frequência e da aplicação. Ambos são relações entre a velocidade em um meio e a velocidade no vácuo. [ citação necessária ]

Teoria da relatividade especial [ editar ]

No final do século XIX , várias anomalias experimentais não podiam ser explicadas pela teoria das ondas simples. Uma dessas anomalias envolvia uma controvérsia sobre a velocidade da luz. A velocidade da luz e outros EMR previstos pelas equações de Maxwell não apareceram a menos que as equações fossem modificadas de uma forma sugerida pela primeira vez por FitzGerald e Lorentz (ver história da relatividade especial ), ou então essa velocidade dependeria da velocidade do observador em relação a o "meio" (chamado éter luminífero) que supostamente "transportava" a onda eletromagnética (de maneira análoga à forma como o ar transporta as ondas sonoras). Os experimentos não conseguiram encontrar qualquer efeito do observador. Em 1905, Einstein propôs que o espaço e o tempo pareciam ser entidades com velocidade variável para a propagação da luz e todos os outros processos e leis. Essas mudanças foram responsáveis ​​pela constância da velocidade da luz e de toda a radiação eletromagnética, do ponto de vista de todos os observadores - mesmo aqueles em movimento relativo.

História da descoberta [ editar ]

A radiação eletromagnética de comprimentos de onda diferentes dos da luz visível foi descoberta no início do século XIX. A descoberta da radiação infravermelha é atribuída ao astrônomo William Herschel , que publicou seus resultados em 1800 antes da Royal Society of London . [37] Herschel usou um prisma de vidro para refratar a luz do Sol e detectou raios invisíveis que causaram aquecimento além da parte vermelha do espectro, através de um aumento na temperatura registrada com um termômetro . Esses "raios caloríficos" foram posteriormente denominados infravermelhos. [38]

Em 1801, o físico alemão Johann Wilhelm Ritter descobriu o ultravioleta em um experimento semelhante ao de Herschel, usando a luz do sol e um prisma de vidro. Ritter notou que os raios invisíveis próximos à borda violeta de um espectro solar, dispersos por um prisma triangular, escureciam as preparações de cloreto de prata mais rapidamente do que a luz violeta próxima. Os experimentos de Ritter foram os primeiros precursores do que se tornaria a fotografia. Ritter observou que os raios ultravioleta (que no início eram chamados de "raios químicos") eram capazes de causar reações químicas. [39]

James Clerk Maxwell

Em 1862-64, James Clerk Maxwell desenvolveu equações para o campo eletromagnético que sugeriam que as ondas no campo viajariam com uma velocidade muito próxima da velocidade conhecida da luz. Maxwell, portanto, sugeriu que a luz visível (assim como os raios infravermelhos e ultravioleta invisíveis por inferência) consistiam em propagação de distúrbios (ou radiação) no campo eletromagnético. As ondas de rádio foram produzidas deliberadamente por Heinrich Hertz em 1887, usando circuitos elétricos calculados para produzir oscilações em uma frequência muito mais baixa do que a da luz visível, seguindo receitas para produzir cargas e correntes oscilantes sugeridas pelas equações de Maxwell. A Hertz também desenvolveu maneiras de detectar essas ondas e produziu e caracterizou o que mais tarde foi denominadoondas de rádio e microondas . [40] : 286,7

Wilhelm Röntgen descobriu e deu nome aos raios-X . Depois de experimentar altas tensões aplicadas a um tubo evacuado em 8 de novembro de 1895, ele notou uma fluorescência em uma placa próxima de vidro revestido. Em um mês, ele descobriu as principais propriedades dos raios-X. [40] : 307

A última parte do espectro EM a ser descoberta estava associada à radioatividade . Henri Becquerel descobriu que os sais de urânio causavam o embaçamento de uma placa fotográfica não exposta através de um papel de cobertura de maneira semelhante aos raios X, e Marie Curie descobriu que apenas certos elementos emitiam esses raios de energia, logo descobrindo a intensa radiação do rádio . A radiação da pitchblenda foi diferenciada em raios alfa ( partículas alfa ) e raios beta ( partículas beta ) por Ernest Rutherfordpor meio de experiências simples em 1899, mas provaram ser tipos de radiação com partículas carregadas. No entanto, em 1900, o cientista francês Paul Villard descobriu um terceiro tipo de radiação do rádio com carga neutra e especialmente penetrante, e depois de descrevê-lo, Rutherford percebeu que deve ser ainda um terceiro tipo de radiação, que em 1903 Rutherford chamou de raios gama . Em 1910, o físico britânico William Henry Bragg demonstrou que os raios gama são radiação eletromagnética, não partículas, e em 1914 Rutherford e Edward Andrademediu seus comprimentos de onda, descobrindo que eles eram semelhantes aos raios X, mas com comprimentos de onda mais curtos e frequência mais alta, embora um 'cruzamento' entre os raios X e gama torne possível ter raios X com uma energia mais alta (e, portanto, comprimento de onda mais curto ) do que os raios gama e vice-versa. A origem do raio os diferencia, os raios gama tendem a ser fenômenos naturais originários do núcleo instável de um átomo e os raios X são gerados eletricamente (e, portanto, feitos pelo homem), a menos que sejam resultado da radiação X bremsstrahlung causada por a interação de partículas que se movem rapidamente (como partículas beta) colidindo com certos materiais, geralmente de números atômicos mais altos. [40] : 308,9

Espectro eletromagnético [ editar ]

Espectro eletromagnético com luz visível em destaque
Legenda:
γ = Raios gama

HX = Raios X
fortes SX = Raios X suaves

EUV = ultravioleta
extremo NUV =

Luz visível ultravioleta próximo (bandas coloridas)

NIR = infravermelho próximo
MIR = infravermelho médio
FIR = infravermelho distante

EHF = Freqüência extremamente alta (microondas)
SHF = Freqüência superalta (microondas)

UHF = Freqüência ultra-alta (ondas de rádio)
VHF = Freqüência muito alta (rádio)
HF = Freqüência alta (rádio)
MF = Freqüência média (rádio)
LF =Baixa frequência (rádio)
VLF = Muito baixa frequência (rádio)
VF = Voz frequência
ULF = Ultra-baixa frequência (rádio)
SLF = Super-baixa frequência (rádio)
ELF = extremamente baixa frequência (rádio)

A radiação EM (a designação 'radiação' exclui campos elétricos estáticos e magnéticos e próximos ) é classificada por comprimento de onda em rádio , micro-ondas , infravermelho , visível , ultravioleta , raios X e raios gama . As ondas eletromagnéticas arbitrárias podem ser expressas pela análise de Fourier em termos de ondas monocromáticas senoidais , que, por sua vez, podem ser classificadas nessas regiões do espectro EMR.

Para certas classes de ondas EM, a forma de onda é tratada de maneira mais útil como aleatória e, em seguida, a análise espectral deve ser feita por meio de técnicas matemáticas ligeiramente diferentes apropriadas para processos aleatórios ou estocásticos . Nesses casos, os componentes de frequência individuais são representados em termos de seu conteúdo de potência e as informações de fase não são preservadas. Essa representação é chamada de densidade espectral de potência do processo aleatório. A radiação eletromagnética aleatória que requer este tipo de análise é, por exemplo, encontrada no interior das estrelas e em certas outras formas de radiação de banda larga, como o campo de onda de ponto zero do vácuo eletromagnético.

O comportamento da radiação EM e sua interação com a matéria depende de sua frequência e muda qualitativamente conforme a frequência muda. As frequências mais baixas têm comprimentos de onda mais longos e as frequências mais altas têm comprimentos de onda mais curtos e estão associadas a fótons de energia mais alta. Não há limite fundamental conhecido para esses comprimentos de onda ou energias, em qualquer extremidade do espectro, embora fótons com energias próximas à energia de Planck ou excedendo-a (muito alta para ter sido observada) exigirão que novas teorias físicas sejam descritas.

Rádio e micro-ondas [ editar ]

As ondas de rádio têm a menor quantidade de energia e a menor frequência. Quando as ondas de rádio atingem um condutor , elas se acoplam ao condutor, viajam ao longo dele e induzem uma corrente elétrica na superfície do condutor, movendo os elétrons do material condutor em feixes de carga correlacionados. Esses efeitos podem cobrir distâncias macroscópicas em condutores (como antenas de rádio), uma vez que o comprimento de onda das ondas de rádio é longo.

Os fenômenos de radiação eletromagnética com comprimentos de onda que variam de um metro a um milímetro são chamados de microondas; com frequências entre 300 MHz (0,3 GHz) e 300 GHz.

Nas frequências de rádio e micro-ondas, o EMR interage com a matéria principalmente como uma coleção de cargas que se espalham por um grande número de átomos afetados. Em condutores elétricos , tal movimento induzido de cargas em massa ( correntes elétricas ) resulta na absorção do EMR, ou então separações de cargas que causam a geração de novo EMR (reflexão efetiva do EMR). Um exemplo é a absorção ou emissão de ondas de rádio por antenas, ou a absorção de microondas por água ou outras moléculas com momento de dipolo elétrico, como por exemplo dentro de um forno de microondas . Essas interações produzem correntes elétricas ou calor, ou ambos.

Infravermelho [ editar ]

Como o rádio e o micro-ondas, o infravermelho (IV) também é refletido por metais (e também pela maioria do EMR, bem na faixa ultravioleta). No entanto, ao contrário do rádio de baixa frequência e da radiação de microondas, o infravermelho EMR comumente interage com dipolos presentes em moléculas únicas, que mudam conforme os átomos vibram nas extremidades de uma única ligação química. Consequentemente, é absorvido por uma ampla gama de substâncias, fazendo com que aumentem de temperatura à medida que as vibrações se dissipam na forma de calor . O mesmo processo, executado ao contrário, faz com que as substâncias a granel irradiem espontaneamente no infravermelho (consulte a seção de radiação térmica abaixo).

A radiação infravermelha é dividida em sub-regiões espectrais. Embora existam diferentes esquemas de subdivisão, [41] [42] o espectro é comumente dividido em infravermelho próximo (0,75-1,4 μm), infravermelho de comprimento de onda curto (1,4-3 μm), infravermelho de comprimento de onda médio (3-8 μm), infravermelho de comprimento de onda longo (8–15 μm) e infravermelho distante (15–1000 μm). [43]

A luz visível [ editar ]

Fontes naturais produzem radiação EM em todo o espectro. A radiação EM com um comprimento de onda entre aproximadamente 400 nm e 700 nm é detectada diretamente pelo olho humano e percebida como luz visível . Outros comprimentos de onda, especialmente infravermelho próximo (maior que 700 nm) e ultravioleta (menor que 400 nm) também são às vezes chamados de luz.

À medida que a frequência aumenta para a faixa visível, os fótons têm energia suficiente para alterar a estrutura de ligação de algumas moléculas individuais. Não é por acaso que isso acontece na faixa do visível, pois o mecanismo da visão envolve a mudança na ligação de uma única molécula, a retinal , que absorve um único fóton. A mudança na retina causa uma mudança na forma da proteína rodopsina na qual ela está contida, que inicia o processo bioquímico que faz com que a retina do olho humano sinta a luz.

A fotossíntese também se torna possível nesta faixa, pelo mesmo motivo. Uma única molécula de clorofila é excitada por um único fóton. Em tecidos vegetais que conduzem a fotossíntese, os carotenóides agem para extinguir eletronicamente a clorofila excitada produzida pela luz visível em um processo chamado extinção não fotoquímica , a fim de prevenir reações que de outra forma interfeririam na fotossíntese em altos níveis de luz.

Animais que detectam infravermelho fazem uso de pequenos pacotes de água que mudam de temperatura, em um processo essencialmente térmico que envolve muitos fótons.

Infravermelho, microondas e ondas de rádio são conhecidos por danificar moléculas e tecidos biológicos apenas por aquecimento em massa, não excitação de fótons únicos da radiação.

A luz visível é capaz de afetar apenas uma pequena porcentagem de todas as moléculas. Normalmente não de forma permanente ou prejudicial, mas o fóton excita um elétron que então emite outro fóton ao retornar à sua posição original. Esta é a fonte de cor produzida pela maioria dos corantes. Retinal é uma exceção. Quando um fóton é absorvido, a retinal muda permanentemente a estrutura de cis para trans e requer uma proteína para convertê-lo de volta, ou seja, redefini-lo para poder funcionar como um detector de luz novamente.

Evidência limitada indicam que algumas espécies de oxigénio reactivas são criadas por luz visível na pele, e que estes podem ter algum papel no foto-envelhecimento, da mesma maneira como uma ultravioleta . [44]

Ultraviolet [ editar ]

À medida que a frequência aumenta para o ultravioleta, os fótons agora carregam energia suficiente (cerca de três elétron-volts ou mais) para excitar certas moléculas duplamente ligadas em um rearranjo químico permanente. No DNA , isso causa danos duradouros. O DNA também é indiretamente danificado por espécies reativas de oxigênio produzidas pelo ultravioleta A (UVA), que tem energia muito baixa para danificar o DNA diretamente. É por isso que o ultravioleta em todos os comprimentos de onda pode danificar o DNA e é capaz de causar câncer, e (para UVB) queimaduras na pele (queimaduras de sol) que são muito piores do que seriam produzidas por simples efeitos de aquecimento (aumento de temperatura). Esta propriedade de causar dano molecular desproporcional aos efeitos de aquecimento, é característica de todos os EMR com frequências na faixa de luz visível e acima. Essas propriedades de EMR de alta frequência são devidas a efeitos quânticos que danificam permanentemente materiais e tecidos em nível molecular. [ citação necessária ]

Na extremidade superior da faixa ultravioleta, a energia dos fótons se torna grande o suficiente para transmitir energia suficiente aos elétrons para fazer com que eles sejam liberados do átomo, em um processo chamado fotoionização . A energia necessária para isso é sempre maior do que cerca de 10 elétron volt (eV) correspondendo a comprimentos de onda menores que 124 nm (algumas fontes sugerem um corte mais realista de 33 eV, que é a energia necessária para ionizar a água). Este limite superior do espectro ultravioleta com energias na faixa aproximada de ionização, às vezes é chamado de "ultravioleta extremo". O UV ionizante é fortemente filtrado pela atmosfera terrestre. [ citação necessária ]

Raios-X e raios gama [ editar ]

A radiação eletromagnética composta de fótons que carregam energia de ionização mínima, ou mais, (que inclui todo o espectro com comprimentos de onda mais curtos), é, portanto, denominada radiação ionizante . (Muitos outros tipos de radiação ionizante são feitos de partículas não EM). A radiação ionizante do tipo eletromagnético se estende do ultravioleta extremo a todas as frequências mais altas e comprimentos de onda mais curtos, o que significa que todos os raios X e raios gama são qualificados. Estes são capazes dos tipos mais severos de danos moleculares, que podem acontecer na biologia a qualquer tipo de biomolécula, incluindo mutação e câncer, e muitas vezes em grandes profundidades abaixo da pele, desde a extremidade superior do espectro de raios-X, e todos do espectro de raios gama, penetre a matéria.

Atmosfera e magnetosfera [ editar ]

Gráfico aproximado da absorção atmosférica da Terra e espalhamento (ou opacidade ) de vários comprimentos de onda de radiação eletromagnética

A maioria dos raios UV e dos raios X são bloqueados pela absorção primeiro do nitrogênio molecular e depois (para comprimentos de onda no UV superior) da excitação eletrônica do dioxigênio e, finalmente, do ozônio na faixa média do UV. Apenas 30% da luz ultravioleta do Sol atinge o solo e quase toda ela é bem transmitida.

A luz visível é bem transmitida no ar, pois não é energética o suficiente para excitar nitrogênio, oxigênio ou ozônio, mas é muito energética para excitar as frequências vibracionais moleculares do vapor de água. [ citação necessária ]

As bandas de absorção no infravermelho são devidas aos modos de excitação vibracional no vapor de água. No entanto, com energias muito baixas para excitar o vapor de água, a atmosfera torna-se transparente novamente, permitindo a transmissão livre da maioria das ondas de micro-ondas e rádio. [ citação necessária ]

Finalmente, em comprimentos de onda de rádio maiores que 10 metros ou mais (cerca de 30 MHz), o ar na baixa atmosfera permanece transparente ao rádio, mas o plasma em certas camadas da ionosfera começa a interagir com as ondas de rádio (veja skywave ). Esta propriedade permite que alguns comprimentos de onda mais longos (100 metros ou 3 MHz) sejam refletidos e resulta em ondas curtas de rádio além da linha de visão. No entanto, certos efeitos ionosféricos começam a bloquear as ondas de rádio vindas do espaço, quando sua frequência é menor que cerca de 10 MHz (comprimento de onda maior que cerca de 30 metros). [45]

A radiação térmica e electromagnética como uma forma de calor [ editar ]

A estrutura básica da matéria envolve partículas carregadas unidas. Quando a radiação eletromagnética colide com a matéria, ela faz com que as partículas carregadas oscile e ganhem energia. O destino final dessa energia depende do contexto. Ela pode ser irradiada imediatamente e aparecer como radiação espalhada, refletida ou transmitida. Pode ser dissipado em outros movimentos microscópicos dentro da matéria, chegando ao equilíbrio térmico e se manifestando como energia térmica , ou mesmo energia cinética , no material. Com algumas exceções relacionadas a fótons de alta energia (como fluorescência , geração de harmônicos , reações fotoquímicas , o(efeito fotovoltaico para radiações ionizantes em ultravioleta distante, raios X e radiação gama), a radiação eletromagnética absorvida simplesmente deposita sua energia aquecendo o material. Isso acontece com a radiação infravermelha, de microondas e de ondas de rádio. Ondas de rádio intensas podem queimar termicamente tecidos vivos e cozinhar alimentos. Além dos lasers infravermelhos , os lasers visíveis e ultravioleta suficientemente intensos podem facilmente incendiar o papel. [46] [ citação necessária ]

A radiação ionizante cria elétrons de alta velocidade em um material e quebra as ligações químicas, mas depois que esses elétrons colidem muitas vezes com outros átomos, a maior parte da energia se torna energia térmica em uma minúscula fração de segundo. Este processo torna a radiação ionizante muito mais perigosa por unidade de energia do que a radiação não ionizante. Essa advertência também se aplica ao UV, embora quase tudo não seja ionizante, porque o UV pode danificar as moléculas devido à excitação eletrônica, que é muito maior por unidade de energia do que os efeitos do aquecimento. [46] [ citação necessária ]

A radiação infravermelha na distribuição espectral de um corpo negro costuma ser considerada uma forma de calor, uma vez que possui uma temperatura equivalente e está associada a uma mudança de entropia por unidade de energia térmica. No entanto, "calor" é um termo técnico em física e termodinâmica e é frequentemente confundido com energia térmica. Qualquer tipo de energia eletromagnética pode ser transformada em energia térmica em interação com a matéria. Assim, qualquer radiação eletromagnética pode "aquecer" (no sentido de aumentar a temperatura da energia térmica de) um material, quando ele é absorvido. [47]

O processo inverso ou reverso do tempo de absorção é a radiação térmica. Grande parte da energia térmica da matéria consiste no movimento aleatório de partículas carregadas, e essa energia pode ser irradiada para longe da matéria. A radiação resultante pode ser posteriormente absorvida por outro pedaço de matéria, com a energia depositada aquecendo o material. [48]

A radiação eletromagnética em uma cavidade opaca em equilíbrio térmico é efetivamente uma forma de energia térmica, possuindo entropia de radiação máxima . [49]

Efeitos biológicos [ editar ]

Bioeletromagnetismo é o estudo das interações e efeitos da radiação EM em organismos vivos. Os efeitos da radiação eletromagnética sobre as células vivas, incluindo as dos humanos, dependem da potência e da frequência da radiação. Para radiação de baixa frequência (ondas de rádio para luz visível), os efeitos mais bem compreendidos são aqueles devidos apenas à potência da radiação, agindo por meio do aquecimento quando a radiação é absorvida. Para esses efeitos térmicos, a frequência é importante, pois afeta a intensidade da radiação e a penetração no organismo (por exemplo, as microondas penetram melhor do que o infravermelho). É amplamente aceito que campos de baixa frequência que são muito fracos para causar aquecimento significativo não podem ter qualquer efeito biológico. [50]

Apesar dos resultados comumente aceitos, algumas pesquisas foram conduzidas para mostrar que campos eletromagnéticos não térmicos mais fracos , (incluindo campos magnéticos ELF fracos, embora o último não seja estritamente qualificado como radiação EM [50] [51] [52] ), e RF modulados e campos de microondas têm efeitos biológicos. [53] [54] [55] Os mecanismos fundamentais da interação entre o material biológico e os campos eletromagnéticos em níveis não térmicos não são totalmente compreendidos. [50]

A Organização Mundial da Saúde classificou a radiação eletromagnética de radiofrequência como Grupo 2B - possivelmente cancerígena. [56] [57] Esse grupo contém possíveis carcinógenos, como chumbo, DDT e estireno. Por exemplo, estudos epidemiológicos procurando uma relação entre o uso de telefone celular e o desenvolvimento de câncer no cérebro foram amplamente inconclusivos, exceto para demonstrar que o efeito, se existe, não pode ser grande.

Em frequências mais altas (visíveis e além), os efeitos dos fótons individuais começam a se tornar importantes, pois agora têm energia suficiente individualmente para danificar direta ou indiretamente as moléculas biológicas. [58] Todas as frequências de UV foram classificadas como carcinógenos do Grupo 1 pela Organização Mundial da Saúde. A radiação ultravioleta da exposição ao sol é a principal causa do câncer de pele. [59] [60]

Assim, em frequências UV e mais altas (e provavelmente um pouco também na faixa visível), [44] a radiação eletromagnética causa mais danos aos sistemas biológicos do que o simples aquecimento prevê. Isso é mais óbvio no ultravioleta "distante" (ou "extremo"). Os UV, com raios-X e radiação gama, são chamados de radiação ionizante devido à capacidade dos fótons dessa radiação de produzir íons e radicais livres em materiais (incluindo tecidos vivos). Uma vez que essa radiação pode danificar gravemente a vida em níveis de energia que produzem pouco aquecimento, ela é considerada muito mais perigosa (em termos de danos produzidos por unidade de energia ou potência) do que o resto do espectro eletromagnético.

Uso como arma [ editar ]

O raio de calor é uma aplicação de EMR que faz uso de frequências de microondas para criar um efeito de aquecimento desagradável na camada superior da pele. Uma arma de raios de calor publicamente conhecida, chamada Active Denial System, foi desenvolvida pelos militares dos EUA como uma arma experimental para impedir o acesso do inimigo a uma área. [61] [62] Um raio da morte é uma arma teórica que fornece raio de calor com base na energia eletromagnética em níveis que são capazes de ferir o tecido humano. Um inventor de um raio da morte, Harry Grindell Matthews , afirmou ter perdido a visão do olho esquerdo enquanto trabalhava em sua arma de raio da morte baseada em um magnetron de microondas da década de 1920 (um forno de microondas normalcria um efeito de cozimento prejudicial aos tecidos dentro do forno em cerca de 2 kV / m). [63]

Derivação da teoria eletromagnética [ editar ]

As ondas eletromagnéticas são previstas pelas leis clássicas da eletricidade e do magnetismo, conhecidas como equações de Maxwell . Existem soluções não triviais das equações homogêneas de Maxwell (sem cargas ou correntes), descrevendo ondas de campos elétricos e magnéticos variáveis. Começando com as equações de Maxwell no espaço livre :

 

 

 

 

( 1 )

 

 

 

 

( 2 )

 

 

 

 

( 3 )

 

 

 

 

( 4 )

Onde
e são os campos vetoriais do Campo Elétrico (medido em V / m ou N / C ) e do campo magnético (medido em T ou Wb / m 2 ), respectivamente;
produz a divergência e a ondulação de um campo vetorial
e são derivadas parciais (taxa de variação no tempo, com localização fixa) do campo magnético e elétrico;
é a permeabilidade do vácuo (4 x 10 −7 ( H / m)) e é a permissividade do vácuo (8,85 × 10 −12 ( F / m));

Além da solução trivial

soluções úteis podem ser derivadas com a seguinte identidade vetorial , válida para todos os vetores em algum campo vetorial:

Tomando a curva da segunda equação de Maxwell ( 2 ), obtém-se:

 

 

 

 

( 5 )

Avaliando o lado esquerdo de ( 5 ) com a identidade acima e simplificando usando ( 1 ), resulta:

 

 

 

 

( 6 )

Avaliando o lado direito de ( 5 ) trocando a sequência de derivações e inserindo a quarta equação de Maxwell ( 4 ), resulta:

 

 

 

 

( 7 )

Combinando ( 6 ) e ( 7 ) novamente, dá uma equação diferencial de valor vetorial para o campo elétrico, resolvendo as equações de Maxwell homogêneas:

Tomando a curva da quarta equação de Maxwell ( 4 ) resulta em uma equação diferencial semelhante para um campo magnético resolvendo as equações de Maxwell homogêneas:

Ambas as equações diferenciais têm a forma da equação de onda geral para ondas que se propagam com velocidade, onde é uma função do tempo e da localização, o que dá a amplitude da onda em algum momento em um determinado local:

Isso também é escrito como:

onde denota o chamado operador d'Alembert , que em coordenadas cartesianas é dado como:

Comparando os termos para a velocidade de propagação, resulta no caso dos campos elétrico e magnético:

Esta é a velocidade da luz no vácuo. Assim, as equações de Maxwell conectam a permissividade do vácuo , a permeabilidade do vácuo e a velocidade da luz, c 0 , por meio da equação acima. Esta relação foi descoberta por Wilhelm Eduard Weber e Rudolf Kohlrausch antes do desenvolvimento da eletrodinâmica de Maxwell. No entanto, Maxwell foi o primeiro a produzir uma teoria de campo consistente com ondas viajando à velocidade da luz.

Essas são apenas duas equações versus as quatro originais, portanto, mais informações pertencem a essas ondas ocultas nas equações de Maxwell. Uma onda vetorial genérica para o campo elétrico tem a forma

Aqui, é a amplitude constante, é qualquer segunda função diferenciável, é um vetor unitário na direção de propagação e é um vetor de posição. é uma solução genérica para a equação de onda. Em outras palavras,

para uma onda genérica viajando na direção.

A partir da primeira das equações de Maxwell, obtemos

Desse modo,

o que implica que o campo elétrico é ortogonal à direção em que a onda se propaga. A segunda das equações de Maxwell produz o campo magnético, a saber,

Desse modo,

As equações restantes serão satisfeitas por esta escolha de .

As ondas do campo elétrico e magnético no campo distante viajam na velocidade da luz. Eles têm uma orientação especial restrita e magnitudes proporcionais , que podem ser vistas imediatamente a partir do vetor de Poynting . O campo elétrico, o campo magnético e a direção da propagação da onda são todos ortogonais e a onda se propaga na mesma direção que . Além disso, os campos distantes E e B no espaço livre, que como soluções de onda dependem principalmente dessas duas equações de Maxwell, estão em fase um com o outro. Isso é garantido uma vez que a solução de onda genérica é de primeira ordem no espaço e no tempo, e o operador curlde um lado dessas equações resulta em derivadas espaciais de primeira ordem da solução de onda, enquanto a derivada de tempo do outro lado das equações, que dá o outro campo, é de primeira ordem no tempo, resultando na mesma mudança de fase para ambos os campos em cada operação matemática.

Do ponto de vista de uma onda eletromagnética viajando para a frente, o campo elétrico pode estar oscilando para cima e para baixo, enquanto o campo magnético oscila para a direita e para a esquerda. Esta imagem pode ser girada com o campo elétrico oscilando para a direita e esquerda e o campo magnético oscilando para baixo e para cima. Esta é uma solução diferente que está viajando na mesma direção. Essa arbitrariedade na orientação em relação à direção de propagação é conhecida como polarização . Em um nível quântico, é descrito como polarização de fótons . A direção da polarização é definida como a direção do campo elétrico.

Formas mais gerais das equações de onda de segunda ordem fornecidas acima estão disponíveis, permitindo meios e fontes de propagação sem vácuo. Existem muitas derivações concorrentes, todas com vários níveis de aproximação e aplicações pretendidas. Um exemplo muito geral é uma forma da equação de campo elétrico, [64] que foi fatorada em um par de equações de onda explicitamente direcionais e, em seguida, reduzida de forma eficiente em uma única equação de onda unidirecional por meio de uma aproximação de evolução lenta simples.

Veja também [ editar ]

  • Medição de antena
  • Bioeletromagnetismo
  • Bolômetro
  • Controle de radiação eletromagnética
  • Pulso eletromagnetico
  • Radiação eletromagnética e saúde
  • Acoplamento de onda evanescente
  • Método de domínio de tempo de diferença finita
  • Onda gravitacional
  • Helicon
  • Impedância de espaço livre
  • Reação de radiação
  • Riscos e benefícios da exposição ao sol
  • Soluções de onda plana sinusoidal da equação de onda eletromagnética

Referências [ editar ]

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Further reading[edit]

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  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
  • Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
  • Reitz, John; Milford, Frederick; Christy, Robert (1992). Foundations of Electromagnetic Theory (4th ed.). Addison Wesley. ISBN 978-0-201-52624-0.
  • Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1.
  • Allen Taflove and Susan C. Hagness (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers. ISBN 978-1-58053-832-9.

External links[edit]

  • Media related to Electromagnetic radiation at Wikimedia Commons
  • "Electromagnetism" – a chapter from an online textbook
  • Electromagnetic Waves from Maxwell's Equations on Project PHYSNET.
  • Radiation of atoms? e-m wave, Polarisation, ...
  • An Introduction to The Wigner Distribution in Geometric Optics
  • The windows of the electromagnetic spectrum on Astronoo
  • Introduction to light and electromagnetic radiation course video from the Khan Academy
  • Lectures on electromagnetic waves course video and notes from MIT Professor Walter Lewin
  • "Electromagnetic radiation" in the Encyclopædia Britannica