Radiação eletromagnética

A radiação eletromagnética é uma oscilação em fase dos campos elétricos e magnéticos, que, autossustentando-se, encontram-se desacoplados das cargas elétricas que lhe deram origem. As oscilações dos campos magnéticos e elétricos são perpendiculares entre si e podem ser entendidas como a propagação de uma onda transversal, cujas oscilações são perpendiculares à direção do movimento da onda (como as ondas da superfície de uma lâmina de água), que pode se deslocar através do vácuo. Dentro do ponto de vista da Mecânica Quântica, podem ser entendidas, ainda, como o deslocamento de pequenas partículas, os fótons.

O espectro visível, ou simplesmente luz visível, é apenas uma pequena parte de todo o espectro da radiação eletromagnética possível, que vai desde as ondas de rádio aos raios gama. A existência de ondas eletromagnéticas foi prevista por James Clerk Maxwell e confirmada experimentalmente por Heinrich Hertz. A radiação eletromagnética encontra aplicações como a radiotransmissão, seu emprego no aquecimento de alimentos (fornos de micro-ondas), em lasers para corte de materiais ou mesmo na simples lâmpada incandescente.

A radiação eletromagnética pode ser classificada de acordo com a frequência da onda, em ordem crescente, nas seguintes faixas: ondas de rádio, micro-ondas, radiação terahertz, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e radiação gama.

No que tange às fontes de radiação, houve muitas controvérsias sobre se uma carga acelerada poderia irradiar ou não. Em parte por causa do princípio da equivalência e a nulidade da reação de radiação observada nos cálculos quando a fonte é submetida à aceleração uniforme.^[1]^[2]^[3]

Ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas primeiramente foram previstas teoricamente por James Clerk Maxwell e depois confirmadas experimentalmente por Heinrich Hertz. Maxwell notou as ondas a partir de equações de electricidade e magnetismo, revelando sua natureza e sua simetria. Faraday mostrou que um campo magnético variável no tempo gera um campo eléctrico. Maxwell mostrou que um campo eléctrico variável com o tempo gera um campo magnético, com isso há uma autossustentação entre os campos eléctrico e magnético. Em seu trabalho de 1862, Maxwell escreveu:

"A velocidade das ondas transversais em nosso meio hipotético, calculada a partir dos experimentos electromagnéticos dos Srs. Kohrausch e Weber, concorda tão exactamente com a velocidade da luz, calculada pelos experimentos óticos do Sr. Fizeau, que é difícil evitar a inferência de que a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenômenos eléctricos e magnéticos."^[^{carece de fontes?]}

Ondas harmônicas

Uma onda harmônica é uma onda com a forma de uma função senoidal, como na figura, no caso de uma onda que se desloca no sentido positivo do eixo dos $x$ .

A distância $\lambda$ entre dois pontos consecutivos onde o campo e a sua derivada têm o mesmo valor, é designada por comprimento de onda (por exemplo, a distância entre dois máximos ou mínimos consecutivos). O valor máximo do módulo do campo, $E_{0}$ , é a sua amplitude.

O tempo que a onda demora a percorrer um comprimento de onda designa-se por {período}, $T$ .

O inverso do período é a frequência $f=1/T$ , que indica o número de comprimentos de onda que passam por um ponto, por unidade de tempo. No sistema SI a unidade da frequência é o hertz, representado pelo símbolo Hz, equivalente a $s^{-1}$ .

No caso de uma onda eletromagnética no vácuo, a velocidade de propagação é $c$ que deverá verificar a relação:

$c={\frac {\lambda }{T}}=\lambda \,f$

A equação da função representada na figura acima é:

$E(x)=E_{\text{máx}}\,\sin(2\,\pi \,{\frac {x}{\lambda }}+\varphi )$

onde a constante $\varphi$ é a fase inicial. Essa função representa a forma da onda num instante inicial, que podemos admitir $t=0$ .

Para obter a função de onda num instante diferente, teremos que substituir $x$ por $x-c\,t$ , já que a onda se propaga no sentido positivo do eixo dos $x$ , com velocidade $c$ .

$E(x,t)=E_{\text{máx}}\,\sin {\Bigg [}{\frac {2\,\pi }{\lambda }}\,(x-c\,t)+\varphi {\Bigg ]}$

usando a relação entre a velocidade e o período, podemos escrever:

$E(x,t)=E_{\text{máx}}\,\sin {\Bigg (}2\,\pi {\Bigg (}{\frac {x}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}{\Bigg )}+\varphi {\Bigg )}$

Se substituirmos $x=0$ , obteremos a equação que descreve o campo elétrico na origem, em função do tempo:

$E(t)=-E_{\text{máx}}\,\sin {\Bigg (}2\,\pi \,{\frac {t}{T}}+\varphi {\Bigg )}$

assim, o campo na origem é uma função sinusoidal com período $T$ e amplitude $E_{\text{máx}}$ . O campo em outros pontos tem exatamente a mesma forma sinusoidal, mas com diferentes valores da fase.^[4]

Propriedades

Os campos eléctrico e magnético obedecem aos princípios da superposição de ondas, de modo que seus vectores se cruzam e criam os fenômenos da refracção e da difração.^[^{carece de fontes?]} Uma onda eletromagnética pode interagir com a matéria e, em particular, perturbar átomos e moléculas que as absorvem, podendo os mesmos emitir ondas em outra parte do espectro.

Como qualquer fenômeno ondulatório, as ondas eletromagnéticas podem interferir entre si. Sendo a luz uma oscilação, ela não é afetada pela estática eléctrica ou por campos magnéticos de uma outra onda eletromagnética no vácuo. Em um meio não linear, como um cristal, por exemplo, interferências podem acontecer e causar o efeito Faraday, em que a onda pode ser dividida em duas partes com velocidades diferentes.^[^{carece de fontes?]}

Na refracção, uma onda, transitando de um meio para outro de densidade diferente, tem alteradas sua velocidade e sua direcção (caso esta não seja perpendicular à superfície) ao entrar no novo meio. A relação entre os índices de refracção dos dois meios determina a escala de refração medida pela lei de Snell:

N_{1}\operatorname {sen}(i)=N_{2}\operatorname {sen}(r)

Nesta equação, i é o ângulo de incidência, N₁ é o índice de refração do meio 1, r é o ângulo de refração, e N₂ é o índice de refração do meio 2.

A luz se dispersa em um espectro visível porque é reflectida por um prisma, devido ao fenômeno da refração. As características das ondas eletromagnéticas demonstram as propriedades de partículas e da onda ao mesmo tempo, e se destacam mais quando a onda é mais prolongada.

Modelo de onda eletromagnética

Um importante aspecto da natureza da luz é a frequência uma onda, sua taxa de oscilação. É medida em hertz, a unidade SIU de frequência, na qual um hertz (1,00 Hz) é igual a uma oscilação por segundo. A luz normalmente tem um espectro de frequências que, somadas, juntos formam a onda resultante. Diferentes frequências formam diferentes ângulos de refração. Uma onda consiste nos sucessivos baixos e altos, e a distância entre dois pontos altos ou baixos é chamado de comprimento de onda. Ondas eletromagnéticas variam de acordo com o tamanho, de ondas de tamanhos de prédios a ondas gama pequenas menores que um núcleo atômico. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento da onda, de acordo com a equação:

$\displaystyle v=\lambda f$ .

Nesta equação, v é a velocidade, λ (lambda) é o comprimento de onda, e f é a frequência da onda.

Na passagem de um meio material para outro, a velocidade da onda muda, mas a frequência permanece constante. A interferência acontece quando duas ou mais ondas resultam em um novo padrão de onda. Se os campos tiverem as componentes nas mesmas direções, uma onda "coopera" com a outra (interferência construtiva); entretanto, se estiverem em posições opostas, pode haver uma interferência destrutiva.

Modelo de partículas

Um feixe luminoso é composto por pacotes discretos de energia, caracterizados por consistirem em partículas denominadas fotões ^{(português europeu)} ou fótons ^{(português brasileiro)}. A frequência da onda é proporcional à magnitude da energia da partícula. Como os fótons são emitidos e absorvidos por partículas, eles actuam como transportadores de energia. A energia de um fóton é calculada pela equação de Planck-Einstein:

$\displaystyle E=hf$ .

Nesta equação, E é a energia, h é a constante de Planck, e f é a frequência.

Se um fóton for absorvido por um átomo, ele excita um electrão ^{(português europeu)} ou elétron ^{(português brasileiro)}, elevando-o a um alto nível de energia. Se o nível de energia é suficiente, ele pula para outro nível maior de energia, podendo escapar da atração do núcleo e ser liberado em um processo conhecido como fotoionização. Um elétron que descer ao nível de energia menor emite um fóton de luz igual a diferença de energia. Como os níveis de energia em um átomo são discretos, cada elemento tem suas próprias características de emissão e absorção.^[^{carece de fontes?]}

Espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético é classificado normalmente pelo comprimento da onda, como as ondas de rádio, as micro-ondas, a radiação infravermelha, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até a radiação gama.

O comportamento da onda eletromagnética depende do seu comprimento de onda. Ondas com frequências altas possuem comprimento de onda curto e, por outro lado, ondas com frequências baixas possuem comprimento de onda longo . Quando uma onda interage com uma única partícula ou molécula, seu comportamento depende da quantidade de fótons por ela carregada.^[^{carece de fontes?]} Através da técnica denominada Espectroscopia óptica, é possível obter-se informações sobre uma faixa visível mais larga do que a visão normal. Um espectroscópio comum pode detectar comprimentos de onda de 2 nm a 2 500 nm.

Essas informações detalhadas podem informar propriedades físicas dos objetos, gases e até mesmo estrelas. Por exemplo, um átomo de hidrogênio emite ondas em comprimentos de 21,12 cm. A luz propriamente dita corresponde à faixa que é detectada pelo olho humano, entre 400 nm a 700 nm (um nanômetro vale 1,0×10⁻⁹ metro). As ondas de rádio são formadas de uma combinação de amplitude, frequência e fase da onda com a banda da frequência.

Interação da radiação com a matéria

Bioeletromagnetismo é o estudo das interações e efeitos da radiação eletromagnética em organismos vivos. Os efeitos da radiação eletromagnética sobre células vivas, incluindo aquelas presentes nos seres humanos, são dependentes da intensidade e frequência da radiação recebida. Para radiações que apresentam baixas frequências (ondas de rádio até a luz visível) os efeitos mais bem conhecidos são aqueles ocasionados em função do valor da potência da radiação, agindo através do aquecimento quando a radiação é absorvida. Para estes efeitos térmicos, o valor da frequência de radiação é importante em função de afetar a intensidade da radiação e a penetração para dentro do organismo (por exemplo, micro-ondas penetram melhor que ondas infravermelho). É amplamente aceito o conceito de que campos com frequências baixas são muito fracos para causar um aquecimento significativo que tenha a possibilidade de causar um efeito biológico. ligação=Ficheiro:EM%20Spectrum%20Properties%20edit.svg|direita|miniaturadaimagem|Espectro Eletromagnético Apesar dos resultados comumente aceitos, algumas pesquisas foram conduzidas para mostrar que campos eletromagnéticos não térmicos mais fracos (incluindo campos magnéticos fracos, embora o último não se qualifique estritamente como radiação eletromagnética) e RF modulado e campos de microondas têm efeitos biológicos. Os mecanismos fundamentais da interação entre material biológico e campos eletromagnéticos em níveis não térmicos não são totalmente compreendidos.

A Organização Mundial da Saúde classificou a radiação eletromagnética de radiofrequência como Grupo 2B – possivelmente cancerígena. Este grupo contém possíveis agentes cancerígenos, como chumbo, DDT e estireno. Por exemplo, estudos epidemiológicos que buscam uma relação entre o uso de telefones celulares e o desenvolvimento de câncer no cérebro têm sido amplamente inconclusivos, exceto para demonstrar que o efeito, se existir, não pode ser grande.

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

Ficheiro:Electromagnetic waves.png

Onda Eletromagnética

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

Aplicação Prática Tecnológica que Envolve a Radiação Infravermelho

Atualmente, a entrada em shoppings, locais com pouca circulação de ar e até mesmo em estádios de futebol, passam por uma etapa de verificação da temperatura da pessoa que está chegando ao local, devido a pandemia do coronavírus. A aferição de tal valor de temperatura é feita através de um instrumento (termômetro) que utiliza, como base de funcionamento, a radiação infravermelho. É um aparelho que não necessita entrar em contato com a pele das pessoas, como é o caso do termômetro de mercúrio, verificando assim uma propriedade especial e de fácil manuseamento.

A aferição feita através da radiação

No organismo de cada ser vivo, as células apresentam um funcionamento que realiza a quebra dos carboidratos das massas e dos doces ingeridos, os ácidos graxos retirados da gordura animal e vegetal, os aminoácidos das proteínas de carnes e grãos. Através destes processos metabólicos, o corpo realiza a quebra da comida ingerida e a converte em energia, a qual é utilizada pelo corpo para qualquer finalidade, desde piscar os olhos até bater o coração.

Esta conversão de energia se preza na formação da molécula de ATP (sigla utilizada para indicar a molécula de adenosina trifosfato), sendo a mesma a parte principal do organismo em se obter energia química, uma vez que o processo de hidrólise (quebra pela molécula de H2O) é altamente exergônica, ou seja, a molécula libera uma grande quantidade de energia livre.

O calor que é emitido pelo corpo humano é originado a partir da combustão interna que ocorre através do metabolismo, onde ocorre a quebra das moléculas de glicose em água e CO2, gerando o dito ATP. Durante o metabolismo, cerca de 60% da energia é transformada em calor, sendo que alguns organismos perdem este calor para o meio ambiente e outros utilizam para manter o corpo aquecido. Este calor é emitido em forma de ondas de calor infravermelho, isto é, radiação eletromagnética que apresenta o valor de comprimento de onda presente no intervalo de 730 até 1.000.000 nm do espectro eletromagnético.

Desta maneira, o processo de medição por radiação não é nada mais do que uma maneira mensurável de se obter o nível das ondas infravermelho emitidas pelo corpo.

Funcionamento do termômetro infravermelho

➞Ao posicionar o aparelho à distância de alguns centímetros do corpo ou objeto (para o ser humano, é aconselhável que se mantenha a alguns centímetros da testa por ser uma região que apresenta poucos pelos), o aparelho é acionado, emitindo um laser que tem a função de fazer apenas a “mira”, para assim saber o local que o próprio estará atingindo. Vale ressaltar que o laser não tem nenhuma função na medição, apenas o sensor de temperatura. Ao atingir a região “mirada”, é realizada a captação da energia do corpo em forma de radiação, o mecanismo interno do termômetro infravermelho converte tal forma de energia em energia térmica e energia elétrica. Por fim, é apontado no painel digital do termômetro o valor da temperatura corpórea

➞É importante desenvolver o fato de que o laser apresenta apenas a função de mira, e não realiza a penetração da pele, sendo impossível de atingir o cérebro, gerar alterações no DNA e provocar futuras doenças como câncer.

Aplicações tecnológicas

Entre inúmeras aplicações destacam-se o rádio, a televisão, radares, os sistemas de comunicação sem fio (telefonia celular e comunicação wi-fi), os sistemas de comunicação baseados em fibras ópticas e fornos de micro-ondas. Existem equipamentos para a esterilização de lâminas baseados na exposição do instrumento a determinada radiação ultravioleta, produzida artificialmente por uma lâmpada de luz negra.^[^{carece de fontes?]}

Ver também

Referências

↑ Fulton, Thomas; Rohrlich, Fritz (1 de abril de 1960). «Classical radiation from a uniformly accelerated charge». Annals of Physics (em inglês) (4): 499–517. ISSN 0003-4916. doi:10.1016/0003-4916(60)90105-6. Consultado em 3 de abril de 2022
↑ Laue, Max von. The Wave Radiation of a Moving Point Charge According to the Principle of Relativity. [S.l.: s.n.]
↑ Laue, M. (1909). «Die Wellenstrahlung einer bewegten Punktladung nach dem Relativitätsprinzip». Annalen der Physik (2): 436–442. ISSN 0003-3804. doi:10.1002/andp.19093330210. Consultado em 3 de abril de 2022
↑ [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.

Bibliografia

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Claus Müller (1957). Grundprobleme der mathematischen Theorie elektromagnetischer Schwingungen. [S.l.]: Springer
K. Küpfmüller und G. Kohn (2005). Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, Eine Einführung 16. ed. [S.l.]: Springer. ISBN 3-540-20792-9
Károly Simonyi (1993). Theoretische Elektrotechnik 10. ed. [S.l.]: Barth Verlagsgesellschaft. ISBN 3-335-00375-6
Karl Rawer (1993). Wave Propagation in the Ionosphere. [S.l.]: Kluwer Acad.Publ. ISBN 0-7923-0775-5

[1] Fulton, Thomas; Rohrlich, Fritz (1 de abril de 1960). «Classical radiation from a uniformly accelerated charge». Annals of Physics (em inglês) (4): 499–517. ISSN 0003-4916. doi:10.1016/0003-4916(60)90105-6. Consultado em 3 de abril de 2022

[2] Laue, Max von. The Wave Radiation of a Moving Point Charge According to the Principle of Relativity. [S.l.: s.n.]

[3] Laue, M. (1909). «Die Wellenstrahlung einer bewegten Punktladung nach dem Relativitätsprinzip». Annalen der Physik (2): 436–442. ISSN 0003-3804. doi:10.1002/andp.19093330210. Consultado em 3 de abril de 2022

[Villate-4] [ Eletricidade e Magnetismo. Porto: Jaime E. Villate, 20 de março de 2013. 221 págs]. Creative Commons Atribuição-Partilha (versão 3.0) ISBN 978-972-99396-2-4. Acesso em 21 jun. 2013.

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