2.3. Ondas eletromagnéticas

• James Maxwell concluiu que a luz (visível ou invisível) era uma onda de campo eletromagnético
• A teoria do eletromagnetismo foi estabelecida por James Clerk Maxwell na 2.ª metade do século XIX, que em quatro equações – as famosas equações de Maxwell – descreve todos os fenómenos eletromagnéticos
• Criação de ondas eletromagnéticas

  1. Uma carga elétrica oscilante produz campos elétricos e magnéticos variáveis

  2. Esses campos elétricos e magnéticos propagam-se no espaço como uma onda

  3. As direções de oscilação dos campos elétrico e magnético são perpendiculares entre si e perpendiculares à direção de propagação (onda transversal)

  4. A frequência da onda eletromagnética é igual à frequência de oscilação da carga elétrica (+ frequência → + energia)

  
• Em 1887, Heinrich Hertz (alemão) produziu artificialmente, pela primeira vez, ondas eletromagnéticas de grande comprimento de onda que permitiam a comunicação entre a antena e o recetor
• Espectro Eletromagnético


  • Conjunto de todos os tipos de luz, ou seja, de todas as radiações eletromagnéticas
• Todas as ondas eletromagnéticas viajam, no vácuo, com a mesma velocidade: vluz = 3,0×108 m s-1
• Repartição da Luz


  1. Parte pode ser refletida na superfície, ficando no mesmo meio

  2. Outra parte pode ser absorvida pelo segundo meio

  3. E uma outra parte pode ser transmitida ao longo do outro meio

  
• Eincidente = Erefletida + Etransmitida + Eabsorvida
• Fração da energia em relação à energia incidente

  Depende da natureza da superfície e do novo meio de propagação, da frequência da radiação incidente (tipo de radiação) e da inclinação da luz
• O vidro normal utilizado nas janelas de nossas casas e em estufas é transparente à radiação visível, mas opaco à radiação infravermelha (IV)
• Da radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre: 30% da radiação é refletida pela Terra (albedo), 19% é absorvida pela atmosfera e 51% é transmitida até atingir a superfície da Terra

  
• Albedo


  Percentagem de radiação refletida pelo corpo
• A atmosfera terrestre é opaca às radiações ionizantes (raios gama, raios X e UVs + energéticos) e à radiação infravermelha, mas é transparente a radiações menos energéticas: ondas rádio, radiação visível e UV-A (menos energia)
• A transparência da atmosfera a radiação visível e UV-A permite a ocorrência de fenómenos essenciais à vida, como a fotossíntese, e a opacidade às radiações ionizantes protege os seres vivos. A opacidade ao infravermelho permite ocorrer efeito de estufa
• A transparência da atmosfera às ondas rádio permite que sejam usadas em comunicações a longa distância, e a opacidade a outras radiações exige que os telescópios sejam colocados em satélites, para captar os sinais do Espaço sem a absorção/reflexão da atmosfera

  
• Raios Luminosos


  Linhas retas imaginárias que indicam a direção e sentido de propagação das ondas de luz

  
• Reflexão Regular ou Especular


  A luz incide numa superfície polida, os raios luminosos são todos refletidos na mesma direção

  
• Reflexão Irregular ou Difusa

  A luz incide numa superfície rugosa e, devido à variação da direção da superfície, a reflexão dos raios é feita para vários sentidos

  
• Leis da Reflexão da Luz

  1. O raio incidente, a normal à superfície e o raio refletido encontram-se todos no mesmo plano

  2. O módulo do ângulo de incidência (αi) é igual ao módulo do ângulo de reflexão (αr)

  
• Na reflexão de uma onda e.m., as ondas incidente e refletida têm a mesma frequência, mesma velocidade e o mesmo comprimento de onda, mas a intensidade da onda refletida é menor do que a da onda incidente (ocorre absorção), e altera-se o sentido e direção de propagação, no mesmo plano

  
• A refração da luz ocorre sempre que a luz passa de um meio transparente para outro diferente, sendo a velocidade de propagação diferente nestes meios, e a luz muda, em geral, a sua direção de propagação
• Na refração da luz (onda e.m.) as ondas incidente e refratada têm a mesma frequência, diferentes velocidades de propagação, diferentes comprimentos de onda, diferentes direções de propagação e diferentes intensidades (a da refratada é menor que a da incidente)

  
• Relação entre Comp. Onda e Velocidade


  λ = v/f (=) v = λ × f

  
• Índice de refração da luz (n)


  Razão entre a velocidade da luz no vácuo e a sua velocidade noutro meio
• O índice de refração no vidro para luz visível é diferente para cada frequência (cor) diferente, e a luz branca (contém rad. visíveis) se sofre refração pode separar-se nas várias frequências, porque sofrem desvios diferentes - dispersão da luz
• Leis da Refração ou Leis de Snell-Descartes


  1. O raio incidente, a normal à superfície e o raio refratado encontram-se todos no mesmo plano

  2. n1 sen α1 = n2 sen α2

  
• Se n1 < n2, a onda refratada aproxima-se da normal (α1 > α2); se n1 > n2, onda refratada afasta-se da normal (α1 < α2)
• Quando a luz passa para um meio com maior índice de refração, o ângulo diminui (aproxima-se da normal), e a velocidade e o comprimento de onda diminuem
• Refração da Luz


  Como sabemos quanto se desvia a luz ao mudar de meio
• Leis da Refração ou Leis de Snell-Descartes


  • 1. O raio incidente, a normal à superfície e o raio refratado encontram-se todos no mesmo plano
  • 2. O ângulo de incidência (αi) relaciona-se com o ângulo refratado (αr) pela expressão: n1 sen α1 = n2 sen α2

  
• O meio com maior índice de refração (n) = meio oticamente mais denso ou mais refringente
• Se n1 < n2

  A onda refratada aproxima-se da normal (α1 > α2)
• Se n1 > n2

  A onda refratada afasta-se da normal (α1 < α2)
• Quando a luz passa para um meio com maior índice de refração: o ângulo diminui (aproxima-se da normal), a velocidade e o comp. onda diminuem
• Um objeto colocado dentro de água parece estar acima da posição em que realmente se encontra. Isto acontece porque o nosso cérebro interpreta sempre que os raios de luz viajam em linha reta, sem sofrer desvios
• Reflexão Total da Luz

  Quando a luz passa de um meio transparente para outro onde a sua velocidade é maior (índice de refração menor), existe um ponto a partir do qual ocorre reflexão total da luz

  
• Só ocorre reflexão total quando: o raio incidente se dirige para um meio com menor índice de refração (maior v), afastando-se da normal (n1 > n2); o ângulo de incidência é superior ao ângulo limite (αi > αc)
• Ângulo Limite ou Crítico (αc)


  É o ângulo de incidência a partir do qual deixa de haver refração (só há reflexão)

  
• Fibras Óticas


  Têm um núcleo transparente revestido por outro material transparente de índice de refração é inferior ao núcleo, sendo αincidência > αcrítico
• As fibras óticas têm inúmeras aplicações como: decoração, cabos de comunicação ou instrumentos médicos