30/11/2015

Ondas eletromagnéticas


A natureza da luz

O sentido da vista fornece-nos muita informação sobre o que está a acontecer no mundo exterior. Mas o olho humano só é sensível à luz, que é apenas uma pequena parte de toda a gama de radiação emitida e refletida pelos objetos. A existência de radiações de natureza semelhante à luz, mas indetetáveis pelos sentidos humanos, foi prevista pelo físico escocês James Clerk Maxwell em meados do século XIX. Maxwell deduziu também que a luz (e outras formas de radiação) se deslocava sob a forma de ondas eletromagnéticas. Estas ondas são criadas por uma carga elétrica em deslocação quando muda de velocidade ou de direção: isto verifica-se para qualquer tipo de carga - um relâmpago, por exemplo, produz ondas elecromagnéticas, tal como acontece quando uma corrente elétrica sobe e desce na antena de um emissor de rádio. A onda forma-se porque a carga em deslocação produz um campo elétrico variável que, por seu turno, produz um campo magnético variável. E, quando o campo magnético se altera, produz um campo elétrico variável. São estes campos que mutuamente se sustêm que constituem a onda eletromagnética, que se afasta em linha reta da fonte a uma velocidade de 300.000 m/s - o equivalente a mais de um bilião de km/h.
A radiação elecromagnética pode ser refratada e difratada, comportando-se de maneira semelhante às ondas sonoras e do mar. Mas alguns aspetos do seu comportamento só podem ser explicados considerando-a como um fluxo de partículas distintas ou quanta (um quantum de luz chama-se fotão) e não como ondas contínuas. Estas ideias sobre a natureza da radiação eletromagnética não se conciliam facilmente e é talvez mais útil dizer-se que, embora esta radiação se desloque como uma onda, a sua energia desloca-se em «pacotes» diferenciados.
Esta ideia aplica-se não só às ondas, que se sabe terem propriedades de partículas, mas também às partículas, como os eletrões, que em determinadas condições se comportam como ondas.
As ondas de luz são tridimensionais, têm uma frequência, um comprimento de onda e uma velocidade.


Ondas de alta velocidade
As ondas eletromagnéticas de todos os tipos deslocam-se à velocidade da luz, muito mais depressa do que qualquer tipo de onda mecânica, mas apenas se deslocam a esta velocidade no vácuo; quando se deslocam através de um meio - um sólido, um líquido ou um gás -, são retardadas. Um resultado desta mudança de velocidade é que os raios eletromagnéticos são refratados quando passam de um meio para outro. É uma propriedade que permite a focagem da luz por uma lente de vidro.
Alguns meios absorvem determinados tipos de radiação, permitindo simultaneamente a passagem de outros. O vidro, por exemplo, transmite luz, mas absorve tanto a radiação ultravioleta como a infravermelha. É por isso que é impossível ficar-se bronzeado com uma exposição aos raios ultravioleta através de um vidro. As estufas aquecem porque a luz penetra e aquece as plantas no seu interior, mas a radiação infravermelha emitida pelas plantas quentes é bloqueada pelo vidro.
 Uma substância diferente tem uma preferência diferente. Há uma ressonância natural entre a luz e a química.
Determinadas frequências, como os raios gama, são indiscriminadamente absorvidas por quase todos os materiais. Raios gama, emitidos no espaço, fazendo um trajeto muito mais longo através da atmosfera da Terra, seriam completamente absorvidos antes de chegar ao solo.
Por outro lado, quase todos os materiais são fracos absorventes de luz visível. O ar, por exemplo, é geralmente transparente à luz visível. Esta é uma das razões pelas quais vemos a frequências visíveis: é esse o tipo de luz que atravessa a nossa atmosfera até ao sítio onde nos encontramos. A outra é que é na luz visível que o Sol põe a maior parte da sua energia.
Praticamente todos os gases que abundam no cosmos tendem a ser transparentes nas frequências visíveis e opacos na outras.
Parece não passar de uma mera coincidência o fato de a transparência da matéria e a luminosidade das estrelas preferirem ambas a mesma banda estreita de frequências.

O espectro electromagnético
As ondas eletromagnéticas podem ser definidas pelos mesmos conceitos que se aplicam a outras ondas - frequência, comprimento de onda, amplitude e velocidade.
Tal como se podem produzir muitas frequências de ondas mecânicas diferentes (um piano, por exemplo, produz um som cuja frequência vai dos 30 aos 300 ciclos por segundo ou hertz - Hz), também existe uma amplitude para as frequências eletromagnéticas. Esta vai desde as ondas rádio, com frequências de 1000 Hz, aos raios gama, com frequências que excedem um bilião de biliões de hertzs. Cada frequência tem um comprimento de onda correspondente, obedecendo sempre ambos à relação frequência x comprimento de onda = velocidade da luz.



A gama de frequências e os comprimentos de onda correspondentes são aqui representados sob a forma de um espectro eletromagnético. As ondas rádio, num extremo, têm comprimentos de onda de mais de 1 km, enquanto os raios gama, no outro extremo, têm comprimentos de onda que podem atingir os 10-16m.
O conjunto das radiações são: as ondas rádio (as menos energéticas, as radiações de microondas, as radiações infravermelhas (IV), as radiações ultravioletas (UV), os raios X e os raios gama - de todas as mais energéticas.
A energia transportada por uma onda eletromagnética está diretamente relacionada com a sua frequência. Quanto mais alta for a frequência, maior a energia. Os raios X, por exemplo, têm energia suficiente para passarem através dos tecidos moles do corpo humano e podem, portanto, ser utilizados na obtenção de imagens em medicina. A radiação ultravioleta (UV) invisível tem menos energia do que os raios X, mas ainda a suficiente para matar microrganismos (o que a torna útil como agente esterilizador) e causar danos às células humanas. Quando é utilizada em laboratório, deve usar-se um visor para proteger a retina de quaisquer danos.
Se se fizer passar uma corrente através do filamento de uma lâmpada, esta fica quente e emite uma luz branca. Os objetos mais frios também emitem radiação, mas como têm menos energia, emitem a frequências mais baixas. O corpo humano, por exemplo, emite energia sob a forma de radiação infravermelha. Existem detetores especiais que conseguem captar estas emissões e convertê-las numa imagem visível. As ondas rádio têm ainda menos energia: são necessários grandes emissores para as enviar para grandes distâncias.
Um dos efeitos mais conhecidos das radiações eletromagnéticas é o efeito térmico. Efetivamente qualquer corpo exposto à luz aquece.
Pode-se comparar o efeito térmico das radiações visíveis fazendo-as incidir, uma a uma, sobre um termómetro. Se o termómetro for colocado fora do espectro visível, mas na vizinhança das radiações infravermelhas e das ultravioletas, verificamos que as radiações infravermelhas fazem subir ainda mais a temperatura do termómetro; apresentam um efeito térmico poderoso.



Espetros contínuos de emissão
O espetro da luz solar é um espetro contínuo de emissão. Diz-se de emissão porque as radiações que o compõem são emitidas pela camada superficial do Sol, a Fotoesfera. Diz-se contínuo porque aparece como um conjunto inenterrupto de cores, desde as menos energéticas à mais energéticas.
Tal como o Sol, qualquer corpo incandescente emite radiações, a que corresponde sempre  um espetro de emissão contínuo, que difere de corpo para corpo.
Todos os corpos, incandescentes ou não, emitem radiações, que originam um espetro de emissão contínuo. Estas radiações conferem-lhes cor, que depende da temperatura a que eles se encontram. Quanto maior a temperatura do corpo, mais energéticas são as radiações emitidas e diferente será o seu espetro térmico.

Espetros de emissão de riscas
Quando submetidos a descargas elétricas, os gases rarefeitos emitem luz. Observando essa luz com um espetroscópio, vêem-se espetros de emissão descontínuos, formados por um conjunto de riscas ou bandas coloridas sobre um fundo negro - são os espetros de emissão de riscas.

Espetros de absorção de riscas
Quando os átomos de um determinado elemento se interpõe no caminho da luz branca, algumas das radiações desta última são absorvidas por estes átomos.
No espectro da luz branca vão faltar essas radiações absorvidas, ficando no seu lugar riscas pretas, que são «falhas» de luz. Obtém-se, assim, um espetro de absorção de riscas.



Bibliografia:
A Enciclopédia das Ciências em Movimento, Círculo de Leitores, 1997
Biliões e Biliões, Carl Sagan, Editora Gradiva, 2ª Edição, 1998
Jogo de Partículas A, Maria da Conceição Dantas e Marta Ramalho Duarte, Texto Editores, 2008

Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...