Ondas Eletromagnéticas

Ondas eletromagnéticas transportam energia através do espaço sem transportar matéria. Esse tipo de onda é formado por campos elétricos e magnéticos perpendiculares entre si, além disso, não precisa de um meio material para propagar-se. No vácuo, as ondas eletromagnéticas propagam-se na velocidade da luz, cerca de 3,0.10⁸ m/s.

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O que são ondas eletromagnéticas?

Uma onda eletromagnética é formada por campos elétricos e magnéticos oscilantes e perpendiculares entre si. A direção de propagação da onda eletromagnética, por sua vez, é perpendicular (ângulo de 90º) aos vetores de campo elétrico e magnético.

Devido ao ângulo formado entre a perturbação e a direção de propagação, as ondas eletromagnéticas são caracterizadas como transversais. Como todas as ondas, podem transferir energia entre diferentes pontos do espaço, mas fazem-no sem que haja qualquer transporte de matéria, uma vez que não são capazes disso.

As ondas eletromagnéticas apresentam como características: comprimento de onda, velocidade de propagação, amplitude e frequência, e são passíveis de sofrer qualquer tipo de fenômeno ondulatório conhecido, tais como reflexão, refração, polarização, difração, espalhamento, absorção e interferência.

As ondas eletromagnéticas, antes conhecidas como ondas “hertzianas”, foram descobertas pelo físico alemão Heinrich Rudolf Hertz, que, em 1883, soube como produzi-las. A primeira explicação completa e satisfatória para a natureza dessas ondas veio pouco depois, após os trabalhos de James Clerk Maxwell, que unificaram os fenômenos elétricos e magnéticos em equações de onda atualmente conhecidas como equações de Maxwell.

Características das ondas eletromagnéticas

Entenda quais são as características das ondas eletromagnéticas:

• Amplitude: diz respeito à sua intensidade, ou seja, à quantidade de energia que essas ondas são capazes de transferir.
• Velocidade: depende exclusivamente do meio em que elas se encontram. Por exemplo, na água, a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas é menor do que no ar, devido ao fenômeno conhecido como refração.
• Frequência: é a medida de oscilações completas que essas ondas realizam a cada segundo. No SI, a unidade de medida de frequência é o hertz (Hz). Além disso, sabe-se que a frequência é determinada pelo inverso do seu período, a saber: o tempo necessário para que uma onda eletromagnética complete uma oscilação.
• Comprimento de onda: é o espaço pelo qual a onda propaga-se até que se forme uma oscilação completa, é também a distância entre duas posições de máxima amplitude (cristas) e de mínima amplitude (vales).

Caso queira aprofundar-se e obter mais informações sobre as características gerais das ondas, sejam mecânicas, sejam eletromagnéticas, sugerimos que você confira o nosso artigo sobre ondas.

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Tipos de ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas são classificadas quanto à sua frequência ou com base em seu comprimento de onda. Apesar de não haver uma distinção clara entre um e outro tipo de onda eletromagnética, existe um contínuo de frequências conhecido como espectro eletromagnético.

O espectro eletromagnético diz respeito a toda gama de possíveis frequências que uma onda eletromagnética pode apresentar, a distinção entre elas, entretanto, é fenomenológica, por exemplo: apesar de tratarem-se de ondas eletromagnéticas, o raio x e a luz visível são bastante distintos no modo em que interagem com a matéria. Confira quais são os tipos de ondas eletromagnéticas e descubra como elas estão presentes em nosso cotidiano:

• Ondas de rádio: apresentam a menor frequência entre as ondas eletromagnéticas e, consequentemente, o maior comprimento de onda. São comumente usadas para transmissão de sinal de televisão, rádio e celular.
• Micro-ondas: têm frequência um pouco maior que as ondas de rádio, são bastante usadas nas telecomunicações (no wi-fi, por exemplo) e também em radares que captam a velocidade de veículos em movimento.
• Infravermelho: apresenta frequência pouco inferior à da luz visível, esse tipo de onda, também conhecido como onda de calor, é capaz de aumentar a agitação térmica de átomos e moléculas. Quando nos aproximamos de uma fogueira e sentimos o seu calor, parte da energia transmitida para nós vem em forma de radiação térmica, transportada pelas ondas de infravermelho.
• Luz visível: é aquela que pode sensibilizar os olhos dos seres humanos, uma vez que existem animais capazes de enxergar diferentes tipos de ondas eletromagnéticas, como o infravermelho e o ultravioleta, por exemplo. A luz visível compreende uma estreita faixa de comprimentos de onda no espectro eletromagnético, entre 700 nm e 400 nm (nanômetros = 10^-9 m).
• Ultravioleta: é considerada uma radiação ionizante, isto é, durante a sua interação com a matéria, ela é capaz de arrancar elétrons dos átomos, causando danos a moléculas importantes, como aquelas presentes no DNA das células epiteliais. Devido à sua capacidade ionizante, a radiação ultravioleta é usada na esterilização de utensílios médicos, por exemplo.
• Raios x: são ondas eletromagnéticas ionizantes com grande poder de penetração. Esse tipo de onda é capaz de atravessar diversos tipos de tecidos, graças ao seu pequeno comprimento de onda. São largamente utilizadas em exames de imagens, como radiografia e tomografia.
• Raios gama: são as ondas eletromagnéticas de maior frequência em todo o espectro eletromagnético, podem ser obtidas em reações nucleares e durante a aniquilação de pares (quando há contato entre matéria e antimatéria). No entanto a maior parcela de raios gama que incidem sobre a Terra tem origem em estrelas, como o nosso Sol. Esse tipo de radiação é extremamente penetrante e possui grande capacidade de ionização.

Veja também: Quer entender mais sobre radiação? Confira nosso artigo sobre radiação ionizante!

Fórmulas das ondas eletromagnéticas

Quando nos referimos às ondas eletromagnéticas, existem algumas fórmulas pertinentes ao seu estudo, confira quais são.

Velocidade da onda, frequência e comprimento de onda

Essa fórmula relaciona a velocidade de propagação da onda eletromagnética com sua frequência e comprimento de onda:

v – velocidade de propagação (m/s)

λ – comprimento de onda (m)

f – frequência (Hz)

Uma vez que as frequências comuns das ondas eletromagnéticas são, geralmente, números muito grandes, é comum utilizarmos prefixos para referimo-nos a essas ordens de grandeza. Confira quais são os prefixos de unidades mais utilizados para representar a frequência dessas ondas:

Prefixos usados para frequências de ondas eletromagnéticas

Uma vez que o comprimento de onda é inversamente proporcional à frequência da onda eletromagnética, é comum utilizamos alguns prefixos para denotar comprimentos de onda cujas ordens de grandeza são muito pequenas. Confira alguns dos mais utilizados:

Equação de onda harmônica

No caso em que uma onda eletromagnética possa refletir em uma cavidade e produzir uma interferência construtiva sobre ela mesma, uma onda harmônica, ou estacionária, estará sendo produzida. A equação usada para descrever a oscilação desse tipo de onda é mostrada a seguir, confira:

y(t) – posição vertical da onda em função do tempo (m)

A – amplitude máxima da onda (m)

t – instante de tempo (s)

T – período da onda (s)

x – posição horizontal da onda (m)

λ – comprimento de onda (m)

φ₀ – fase inicial da onda (rad)

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Exercícios sobre ondas eletromagnéticas

Questão 1) Certa onda eletromagnética, de comprimento de onda igual a 3,0 cm, propaga-se no vácuo com velocidade de 3,0.10⁸ m/s. A frequência dessa onda eletromagnética é igual a:

a) 100 GHz

b) 30 MHz

c) 200 THz

d) 50 GHz

e) 600 GHz

Gabarito: Letra a

Resolução:

Para calcularmos a frequência dessa onda eletromagnética, devemos utilizar a fórmula que relaciona velocidade, comprimento de onda e frequência, confira:

De acordo com os cálculos feitos, a frequência dessa onda é de 1010 Hz, que também pode ser escrito como 100.10⁹ Hz ou 100 Ghz.

Questão 2) Uma onda eletromagnética propaga-se através de um meio material com comprimento de onda e frequência igual a 5 mm (0,005 m) e 10 GHz, respectivamente. Determine qual é a velocidade de propagação dessa onda.

a) 1,5.10.10⁸  m/s

b) 5,0.10⁹ m/s

c) 3,0.10⁸ m/s

d) 5,0.10⁷ m/s

e) 6,0.10⁴ m/s

Gabarito: Letra d

Resolução:

Utilizando a fórmula da velocidade da onda, é possível obter o seguinte resultado, confira: