As ondas eletromagnéticas foram previstas por um notável físico do século XIX, chamado James Clerk Maxwell. Ele demonstrou que as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma velocidade que a luz.
Mesmo quando vistas separadamente, em campos elétricos e magnéticos. A base sólida que ele firmou para teoria eletromagnética permitiu o estudo do espectro eletromagnético e de suas aplicações.
Maxwell não foi o único responsável por este feito. Grandes cientistas, como Thomas Young, Hans Öersted, Michael Faraday e Heinrich Hertz também fazem parte dessa história.
Os frutos de seus estudos trouxeram ferramentas de grande utilidade para o ser humano. Neste resumo, você conhecerá um pouco de suas histórias e entenderá o espectro eletromagnético e como ele tem sido fundamental na ciência.
Figura 1: Espectro eletromagnético
O espectro eletromagnético
O desenvolvimento da Eletricidade, do Magnetismo e da Óptica da natureza da luz foi alavancado ao longo do século XIX, por extraordinários nomes da ciência. Dentre eles, estão:
- Thomas Young;
- Hans Christian Öersted;
- Michael Faraday;
- James Clerk Maxwell;
- Heinrich Rudolf Hertz.
Thomas Young foi um físico britânico, doutorado em 1796 pela Universidade de Gottingen, na Alemanha. Sua tese teve como base a acústica da voz humana.
Ele é mais conhecido pelo seu trabalho comprovando a natureza ondulatória da luz, apresentado à Sociedade Real de Londres, em 1801.
Ele observou que ao passar por uma estrutura de fenda dupla, a luz apresentava um padrão de interferência. E este padrão era observado apenas em ondas.
A Fig. 2 mostra o experimento de Young, com ondas construtivas e destrutivas e o padrão de interferência formado no anteparo. Com isso, Young havia provado que a luz era uma onda, contrariando a hipótese de Isaac Newton, de que a mesma agisse como partícula.
Hans Christian Öersted foi um físico e químico dinamarquês. Durante uma aula, em 1820, ele observou a deflexão da agulha de uma bússola próxima a um fio percorrido por corrente elétrica.
A partir desta observação, ele concluiu que a corrente elétrica é capaz de gerar um campo magnético. Ele notou a relação entre eletricidade e magnetismo.
Porém, ele não chegou a nenhuma explicação matemática para tal. Esse foi o ponto inicial do eletromagnetismo.
Figura 3: Experimento de Öersted
No ano de 1831, Michael Faraday, um físico e químico britânico, fez uma descoberta que firmaria de vez a relação entre a eletricidade e o magnetismo.
Ele notou que ao colocar um ímã em movimento próximo a um fio condutor, poderia gerar nele uma corrente elétrica. Este fenômeno ficou conhecido como indução eletromagnética.
Na década de 1860, James Clerk Maxwell já estudava os fenômenos elétricos e magnéticos e buscava uma forma de unificar as teorias. Ele o fez em seu “Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo”, publicado em 1873.
Fazendo uso de um conjunto de equações, ele foi capaz de unifica-las. Elas ficaram conhecidas como equações de Maxwell e foram o marco no estudo do eletromagnetismo.
Em seu Tratado, Maxwell mostra que os campos elétricos e os campos magnéticos se propagam com a mesma velocidade que a luz. Esta era a consequência fundamental das equações de Maxwell: elas antecipavam a existência das chamadas ondas eletromagnéticas (vide Fig. 4).
Tais ondas se propagariam na velocidade da luz e seriam formadas por um campo magnético perpendicular a um campo elétrico.
Figura 4: Ondas eletromagnéticas
Haveriam alguns meios de se produzir tais ondas eletromagnéticas. Dentre os quais estão a variação:
- da corrente elétrica;
- do movimento de uma carga elétrica;
- do campo elétrico;
- do campo magnético.
Infelizmente, Maxwell não viveu o bastante para ver sua previsão comprovada. Ele faleceu em novembro de 1879, devido a um cancro de abdômen.
Em 1887, Heinrich Hertz fez uso de um aparato experimental para verificar a existência das ondas eletromagnéticas. Podemos vê-lo na Fig. 5. Trata-se de um transmissor e receptor de ondas de rádio.
Figura 5: Experimento de Hertz
Hertz fez uso da equação fundamental da ondulatória (v = λ.f), medindo o comprimento de onda das ondas de rádio e multiplicando-o pela frequência de emissão do transmissor.
Assim, constatou que a velocidade da onda era igual à da luz. Seu estudo mostrou que Maxwell estava correto, que ondas eletromagnéticas de fato existem. Além disso, mostrou também que as ondas de rádio são ondas eletromagnéticas.
Uma vez que todas as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma velocidade, o que poderia diferenciá-las seriam seus comprimentos de onda e suas frequências. Com base nisso, foi criado o espectro eletromagnético, que visa classificar as ondas eletromagnéticas de acordo com esses dois parâmetros.
Figura 6: Espectro eletromagnético parametrizado pelo comprimento de onda e pela frequência
A Fig. 6 mostra o espectro eletromagnético. Ele é dividido três grandes áreas: acima do violeta (altas frequências), a faixa do visível (cores) e abaixo do vermelho (baixas frequências).
Cada tipo de onda eletromagnética é produzido por uma fonte diferente. Por exemplo, os raios-X são produzidos por intermédio da desaceleração de elétrons. Já as ondas de rádio são formadas a partir de circuitos elétricos oscilantes.
O espectro eletromagnético visível
Na faixa do espectro eletromagnético que corresponde à região visível aos nossos olhos, estão localizadas as cores do arco-íris. Cada cor possui uma frequência ou um comprimento de onda que as diferenciam das demais.
Observe na Fig. 6 os extremos do espectro visível. O comprimento de onda da luz violeta é de 400 nm, enquanto que o da luz vermelha é de 700 nm.
Em ordem decrescente de comprimentos de onda, temos: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta. O espectro eletromagnético visível nos permite enxergar um mundo visualmente rico. Conseguimos criar sinalizações e diferentes interpretações para cada cor.
Além disso, temos a possibilidade da arte. Sem essa faixa do espectro, não seria possível contemplar as belas obras de pintores famosos.
As cores que nós conhecemos são geradas em um processo que envolve a excitação de elétrons. Ao receber energia, eles se tornam instáveis e, para retornar aos seus estados iniciais, liberam essa energia em forma de luz.
As cores das luzes emitidas irão depender da quantidade de energia irradiada. Inclusive, quanto maior a frequência da luz, maior é a sua energia.
As ondas de rádio
O experimento de Hertz, visto na Fig. 5, foi o primeiro a gerar ondas de rádio. Essas ondas estão na faixa de frequência de 102 Hz a 109 Hz.
Como visto no aparato experimental de Hertz, esse tipo de onda é gerado por meio de circuitos elétricos. Neles, as tensões e as correntes precisam variar de maneira oscilatória.
Se pensarmos em termos de comprimento de onda, as ondas de rádio possuem de alguns metros a centenas de quilômetros.
Elas têm sido usadas para a comunicação entre dois ou mais pontos e para a transmissão. As ondas de TV, telefone e internet também se encontram na mesma faixa de frequência.
Um rádio, por exemplo, capta essas ondas e as converte quase que instantaneamente em ondas sonoras.
É comum nos depararmos com uma situação em que nossos celulares estão sem sinal. Há duas possíveis razões para tal. Uma delas é que a região está fora da área de cobertura.
Outra é a quantidade de obstáculos que as ondas precisam contornar. Pois ao contrário das ondas na faixa do ultravioleta, as ondas na faixa do infravermelho são de baixa energia. Dessa forma, elas não são capazes de penetrar algumas superfícies.
As transmissões de ondas de rádio podem ter outras barreiras, como a distância entre os pontos de transmissão e os pontos de recepção.
No Brasil, são usadas antenas ou torres de transmissão de som e imagem, onde a frequência pode variar de 500 kHz a 2 GHz. Nas transmissões internacionais, fazemos uso da ionosfera pra superar distâncias. As ondas, que são transmitidas de 2 MHz a 25 MHz, incidem na ionosfera e são refletidas aos receptores.
Reflexão das ondas de rádio na ionosfera
As micro-ondas
Quando pensamos em micro-ondas, lembramos imediatamente do forno de micro-ondas. Esse tipo de onda é gerado por correntes alternadas em tubos de vácuo.
Se encontram entre 1 GHz e 100 GHz ou, em termos de comprimento de onda, de 1 mm a 1 m. As micro-ondas são ainda mais usadas e possuem mais vantagens que as ondas de rádio.
Uma das primeiras aplicações das micro-ondas surgiu na década de 1940: o radar. Essa palavra é uma sigla para “Radio Detection and Ranging”, que significa detecção e localização por ondas de rádio.
Como as ondas de micro-ondas possuem menores comprimentos de onda, sofrem menos os efeitos de difração que as ondas de rádio. Por isso, foram usadas em seu lugar.
No campo das telecomunicações, as ondas de micro-ondas também são melhores. Isso porque elas possuem maior frequência, o que acarreta na possibilidade do carregamento de mais informações.
Entretanto, elas ainda não podem substituir as ondas de rádio por completo. É necessário que as antenas transmissoras e receptoras estejam muito próximas entre si.
Além disso, as micro-ondas não são refletidas pela ionosfera.
Lembram da teoria do Big-Bang, proposta em 1940, para explicar a formação do universo? No ano de 1964, Robert Wilson e Arno Penzias detectaram a conhecida como radiação cósmica de fundo, que é uma radiação no formato de micro-ondas.
Ela é um forte argumento em favor da teoria do Big-Bang e levou esses dois cientistas a receberem um prêmio Nobel de Física, em 1978.
Bom, não poderíamos deixar de falar sobre o forno de micro-ondas. Ele é uma aplicação tecnológica revolucionária. Nele, ocorre o aquecimento dos alimentos através da interação das micro-ondas com as moléculas de água presentes neles.
A radiação faz com que essas moléculas vibrem, ganhando energia. O processo é parecido nos alimentos não-hidratados, porém, o aquecimento é muito menos eficaz.
A radiação infravermelha
As ondas infravermelhas se encontram na faixa de frequências de 1012 Hz a 1014 Hz. Em termos de comprimento de onda, de 1 milionésimo de metro a 1 milímetro.
Elas foram descobertas em 1800 por Friedrich Wilhelm Herschel, um astrônomo alemão. Herschel as descobriu enquanto realizava experimentos sobre as temperaturas das cores do espectro solar.
Ele observou que a temperatura era maior na região do vermelho e aumentava ainda mais além dela, fora do espectro visível.
É possível enxergar essa radiação através de dispositivos de visão infravermelha. A radiação infravermelha está atrelada à temperatura do emissor.
Alguns desses dispositivos captam a radiação emitida por um corpo e exibem cores relacionadas à sua temperatura. Quanto mais próxima do vermelho for a cor, maior a temperatura do corpo.
Quanto mais próxima do azul, menor é a temperatura. Os óculos de visão noturna funcionam de forma diferente. Eles intensificam a imagem de objetos com temperaturas maiores.
Figura 8: Óculos de visão infravermelha
As ondas infravermelhas também são usadas em eletrônicos e eletrodomésticos. Elas estão no controle remoto usado para acionar a TV, rádio, ar-condicionado, etc. Quer fazer o teste?
Abra a câmera do seu celular e aponte para o seu controle enquanto aperta nele algum botão. Esse experimento não funciona em todos os celulares. Alguns deles possuem filtros que eliminam a radiação infravermelha, tornando impossível sua captação.
A radiação infravermelha também é usada na medicina, onde os Raios-X não conseguem chegar. Esta aplicação está no uso das fotografias térmicas (termografia), que permitem o diagnóstico mais apurado de algumas lesões e também são usadas no estudo de diversas doenças.
A radiação ultravioleta
As ondas ultravioletas se encontram na faixa de frequências de 1015 a 1017 Hz. Em termos de comprimento de onda, vão de 400 nm a 100 nm. Sua origem é a mesma que a da luz visível.
No entanto, a energia liberada pelo elétron é ainda maior que a irradiada na luz violeta. Essa forma de radiação foi descoberta em 1801 por Johann Wilhelm Ritter, um físico alemão.
Ele fazia experimentos com cloreto de prata exposto à luz visível. Suas observações o levaram à conclusão de que havia raios invisíveis, além do violeta, no espectro solar.
Há três classificações para essa forma de radiação: A, B e C. Na verdade, existem outras divisões, mas vamos nos ater a estas.
A radiação A se encontra no intervalo de 400 a 315 nm e é conhecida como luz negra – muito usada em casas de festas antigamente.
A radiação B vai de 315 a 280 nm e é chamada de luz eritematogênica – relacionada às queimaduras de pele desse tipo de radiação. Já a radiação C está na faixa de 280 a 100 nm e foi nomeada radiação germicida – por ser capaz de destruir germes.
Figura 9: Luz negra
A maior parte da radiação ultravioleta emitida pelo Sol é refletida pela camada de ozônio, principalmente a radiação tipo C.
O bronzeamento é resultado dos raios UV de baixa energia, aqueles do tipo A. Já os raios de tipo B e C começam a causar as manchas de pele, queimaduras e, à longo prazo, câncer de pele e catarata. Por isso é importante se atentar ao uso de protetor solar.
Os Raios-X
Os Raios-X são ondas eletromagnéticas com frequências da ordem de 1020 Hz e comprimentos de onda da ordem de 10-10 m.
Eles foram descobertos em 1895, por Wilhelm Conrad Röntgen, um físico alemão. Ele usou o dispositivo conhecido como tubo de raios catódicos para acelerar elétrons.
O princípio usado por ele é parecido com o dos tubos das televisões antigas.
Quando os elétrons atingiam a tela do tubo, a maior parte de suas energias era transformada em energia térmica. Mas uma pequena parte era transformada em energia radiante.
Essa radiação, invisível ao olho humano, interagia com chapas fotográficas, formando imagens. Essa radiação ficou conhecida como radiação X e rendeu a Röentgen o prêmio Nobel de Física em 1901.
A aplicação na medicina foi imediata, permitindo o diagnóstico de áreas antes não enxergadas.
O conhecimento dos Raios-X deu início ao desenvolvimento de radiografias, as quais diagnosticavam fraturas ósseas, pulmonares e de outras regiões do corpo.
Este método foi o mais importante no diagnóstico da tuberculose. Em 1972, Godfrey Hounsfield e Allan Cormack inventaram o tomógrafo, ampliando ainda mais as possibilidades de trabalho com os raios-x.
Vale ressaltar que os Raios-X são altamente ionizantes e a exposição excessiva a eles pode gerar graves problemas, desde pequenas lesões até o câncer.
Assim, além de necessitar de cuidados para o paciente e para o operador da máquina, é preciso que os equipamentos estejam muito bem calibrados. Há um limite anual de exames de imagem envolvendo Raios-X. Consulte seu médico para saber mais.
Os raios gama
Os raios gama são ondas eletromagnéticas de alta frequência (~ 1021 Hz) e baixo comprimento de onda (~ 1 pm). São altamente energéticos, formados através do decaimento de núcleos atômicos de elementos radioativos.
Eles também são emitidos nas explosões de estrelas em supernovas, ou mesmo nas erupções do nosso Sol.
Graças à nossa camada de ozônio, somos protegidos dos raios gama, raios-X e radiação ultravioleta provenientes de fenômenos astronômicos.
Embora seja uma forma de radiação perigosa de se lidar, ela tem diversos usos, por ser altamente ionizante. Algumas de suas utilidades são:
- esterilização de equipamentos médicos;
- descontaminação de alimentos;
- tratamento de cânceres;
- cirurgias;
- remoção de tumores;
- destruição de bactérias e fungos que destroem livros e documentos antigos.
E aí, o que achou do texto sobre espectro eletromagnético? Curtiu? Então vem estudar com a gente! Conheça o nosso cursinho preparatório para o Enem!
