Ondas eletromagnéticas teoria, tipos, características de Maxwell

As ondas eletromagnéticas São ondas transversais que correspondem a campos causados ​​por cargas elétricas aceleradas. O século XIX foi o século de grandes avanços na eletricidade e no magnetismo, mas até a primeira metade, os cientistas ainda não sabiam a relação entre os dois fenômenos, acreditando -os independentes um do outro.

Foi o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) que mostrou ao mundo que a eletricidade e o magnetismo não passavam dos dois lados da mesma moeda. Ambos os fenômenos estão intimamente relacionados.

Uma tempestade. Fonte: Pixabay.

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Teoria de Maxwell

Maxwell unificou a teoria da eletricidade e magnetismo em 4 equações elegantes e concisas, cujas previsões logo foram confirmadas:

Que evidência Maxwell se preparou para sua teoria eletromagnética?

Já era um fato que as correntes elétricas (cargas móveis) produziram campos magnéticos e, por sua vez.

O fenômeno inverso poderia ser possível? Os campos elétricos variáveis ​​seriam capazes de originar campos magnéticos por sua vez?

Maxwell, um discípulo de Michael Faraday, estava convencido da existência de simetrias na natureza. Ambos os fenômenos, elétricos e magnéticos, também tiveram que manter esses princípios.

De acordo com este pesquisador, os campos oscilantes gerariam distúrbios da mesma maneira que uma pedra jogada em um lago gera ondas. Esses distúrbios não são nada além de campos elétricos e magnéticos oscilantes, que Maxwell chamou de ondas eletromagnéticas com precisão.

Previsões de Maxwell

As equações de Maxwell previam a existência de ondas eletromagnéticas com velocidade de propagação igual à velocidade da luz. A previsão foi confirmada logo depois pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857 - 1894), que conseguiu gerar essas ondas em seu laboratório através de um circuito de LC. Isso aconteceu logo após a morte de Maxwell.

Para verificar o sucesso da teoria, Hertz teve que construir um dispositivo de detector que lhe permitisse.

Os trabalhos de Maxwell foram recebidos com ceticismo pela comunidade científica da época. Talvez tenha sido em parte devido ao fato de Maxwell ser um matemático brilhante e apresentar sua teoria com toda a formalidade do caso, que muitos não conseguiram entender.

No entanto, o experimento de Hertz foi brilhante e convincente. Seus resultados foram bem recebidos e dúvidas sobre a veracidade das previsões de Maxwell foram claras.

A corrente de deslocamento

A corrente de deslocamento é a criação de Maxwell, decorrente de uma análise profunda da lei de amperes, que estabelece que:

 Onde:Maxwell analisou o caso do carregamento de um condensador: como é carregado, a superfície s cujo contorno é C, abrange o atual I_C O que passa pelo fio condutor, como pode ser visto na figura abaixo:

Uma bateria carrega um condensador. Superfícies (linha contínua) e s 'e o contorno c para aplicar a lei de amperes são mostradas. Fonte: Pixabay modificado.

Portanto, o termo à direita na lei ampere, que envolve a corrente, não é nulo e não é o membro à esquerda. Conclusão imediata: há um campo magnético.

Existe um campo magnético em S '?

No entanto, não há corrente que cruze ou atravessando a superfície curva S ', que tem o mesmo contorno C, uma vez que essa superfície abrange parte do que está no espaço entre as placas de condensador, que podemos assumir que é o ar ou outra substância não - condutor.

Naquela região, não há material condutor através do qual qualquer corrente flua. Deve -se lembrar que para uma corrente circular, o circuito deve ser fechado. Quando a corrente é nula, a integral da esquerda na lei de amperes é 0. Não há campo magnético então, ou sim?

Definitivamente há uma contradição. S 'também é limitado pela curva c e a existência do campo magnético não deve depender da superfície à qual limita.

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Maxwell resolveu a contradição introduzindo o conceito de corrente de deslocamento i_D.

Corrente de deslocamento

Enquanto o condensador está carregando, há um campo elétrico variável entre as placas e circula a corrente pelo motorista. Quando o condensador é carregado, a corrente cessa no motorista e um campo elétrico constante é estabelecido entre as placas.

Em seguida, Maxwell deduziu que, associado ao campo elétrico variável, deve haver uma corrente que chamada de corrente de deslocamento i_D, Uma corrente que não envolve movimento de carga. Para Surface S 'é válido:

 Onde:

 μ_{O = 4π .10^-7}   T.m/a

A corrente elétrica não é um vetor, embora seja magnitude e significado. É mais apropriado relacionar os campos a uma quantidade que é vetor: a densidade de corrente J,cuja magnitude é o quociente entre a corrente e a área através da qual passa. As unidades de densidade atuais no sistema internacional são AMPs/m².

Em termos deste vetor, a densidade de corrente de deslocamento é:

A corrente de deslocamento i_D É devido à mudança no tempo do fluxo do campo elétrico entre as placas do condensador enquanto está carregando. Uma vez carregado, a variação do fluxo elétrico é zero e a corrente de deslocamento desaparece.

Dessa forma, quando a lei de amperes é aplicada ao contorno C e a superfície é usada, i_C É a corrente que atravessa. Em vez disso, eu_C Não passa por s ', mas eu_D Se isso acontecer.

Exercício resolvido

1-um condensador de placa plana circular circular está sendo carregada. O raio das placas é de 4 cm e em um instante, dada a corrente de direção i_C = 0.520 a. Há ar entre as placas. Encontrar:

a) a densidade de corrente de deslocamento j_D no espaço entre as placas.

b) a taxa na qual o campo elétrico entre as placas está mudando.

c) O campo magnético induzido entre as placas a uma distância de 2 cm do eixo axial.

d) o mesmo problema que em c) mas a uma distância de 1 cm do eixo axial.

Solução

Seção a

Para a magnitude da densidade de corrente J_D A área das placas é necessária:

Área da placa: a = πr² = π . (4 x 10^-2 m)² = 0.00503 m².

O campo elétrico é uniforme entre as placas, a densidade de corrente também, uma vez que são proporcionais. Além disso, i_C = i_D Para continuidade, então:

Densidade j atual_D = 0.520 A/0.00503 m² = 103.38 A/M².

Seção b

A taxa de câmbio do campo elétrico é (de/dt). É necessária uma equação para encontrá -la, com base nos primeiros princípios: a definição atual, a definição de capacidade e a capacidade de um capacitor de placa.

- Por definição, a corrente é a derivada da carga em relação ao tempo i_C = dq/dt

- A capacidade do capacitor é C = q/v, onde q é a carga e v é a diferença de potencial.

- Por sua parte, a capacidade do capacitor de placa plana paralela é: c = ε_qualquerDe Anúncios.

As casas inferiores são usadas para indicar as correntes e tensões que variam com o tempo. Ao combinar a segunda e a terceira equação, a carga permanece:

Q = c.V = (ε_qualquerDE ANÚNCIOS).v = ε_qualquerA (v/d) = ε_qualquerAe

Aqui ε_qualquer É o subsídio do vácuo cujo valor é 8.85 x 10^-12 C²/N.m². Portanto, ao levar esse resultado à primeira equação, é obtida uma expressão que contém a taxa de câmbio do campo elétrico:

Yo_C = dq/dt = D (ε_qualquerAe)/dt = ε_qualquerA (de/dt)

A limpeza de/dt é:

(de/dt) = eu_C/ (ε_qualquerA) = j_D/ε_qualquer

Substituindo valores:

de/dt = (103.38 A/M²)/ (8.85 x 10^-12 C²/N.m² ) = 1.17 x 10¹³ (N/c)/s

O resultado é aproximadamente 1 seguido por 13 zeros. O campo elétrico está definitivamente variando muito rapidamente.

Seção c

Para encontrar a magnitude do campo magnético, é necessário aplicar a lei de amperes, escolhendo um caminho de rádio circular r Dentro das placas e concêntrico para eles, cujo raio é r:

Pode atendê -lo: Vênus (planeta)

Por outro lado, na integral, os vetores B e DL são paralelos, para que o produto escalar seja simplesmente BDL, onde dl É um diferencial a caminho de C. O campo B é constante todo o C e está fora da integral:

Igual aos dois resultados:

Limpando B Você tem:

Avaliação para r = 2 cm = 0.02 m:

Seção d

Avaliando a equação obtida no parágrafo anterior, para r = 1 cm = 0.01 m:

Características de ondas eletromagnéticas

Ondas eletromagnéticas são ondas transversais onde os campos elétricos e magnéticos são perpendiculares entre si na direção da propagação de ondas.

Ondas eletromagnéticas consistem em campos elétricos e magnéticos perpendiculares. Fonte: Pixabay.

Em seguida, veremos suas características mais notáveis.

Velocidade de propagação

A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é c ≈3,00 x10⁸ m/s, independentemente de quais valores têm o comprimento de onda e a frequência.

Mídia onde eles se propagam

Ondas eletromagnéticas se espalham tanto no vácuo quanto em algum meio de material, ao contrário das ondas mecânicas que requerem um meio.

Proporção entre velocidade, comprimento de onda e frequência

A relação entre velocidade c, O comprimento de onda λ e a frequência F de ondas eletromagnéticas no vácuo é c = λ.F.

Relação entre campo elétrico e magnético

As magnitudes dos campos elétricos e magnéticos estão relacionados através de E = cb.

Velocidade em um determinado meio

Em um determinado ambiente, é possível demonstrar que a velocidade das ondas eletromagnéticas é dada pela expressão:

Em que ε e μ são o respectivo subsídio e permeabilidade do meio ambiente em questão.

Quantidade de movimento

Uma radiação eletromagnética com energia OU tem uma quantidade de movimento associado p cuja magnitude é: p = OU/c.

Tipos de ondas eletromagnéticas

Ondas eletromagnéticas têm uma ampla gama de comprimentos de onda e frequências. Eles são agrupados no que é conhecido como espectro eletromagnético, que foi dividido em regiões, que são nomeadas abaixo, começando com os maiores comprimentos de onda:

Ondas de rádio

Localizados no final do maior comprimento de onda e menor frequência, eles variam de alguns a um bilhão de hertz. Eles são os usados ​​para transmitir um sinal com informações de vários tipos e são capturados pelas antenas. Televisão, rádio, celulares, planetas, estrelas e outros órgãos celestes transmiti -los e podem ser capturados.

Microondas

Localizado nas frequências ultra altas (UHF), super alto (shf) e extremamente alto (EHF), variam entre 1 GHz e 300 GHz. Ao contrário dos anteriores que podem medir até 1,6 km, as microondas variam de alguns centímetros a 33 cm.

Dada a sua posição de espectro, entre 100.000 e 400.000 nm, são usados ​​para transmitir dados sobre frequências que não são interferidas por ondas de rádio. Por esse motivo, eles são aplicados em tecnologia de radar, telefones celulares, fornos de cozinha e soluções de computador.

Sua oscilação é o produto de um dispositivo conhecido como magnetron, que é uma espécie de cavidade ressonante que tem 2 ímãs de disco nas extremidades. O campo eletromagnético é gerado pela aceleração de elétrons de cátodo.

Raios infravermelhos

Essas ondas de calor são emitidas por corpos térmicos, alguns tipos de laser e diodos que emitem luz. Embora eles geralmente se sobreponham às ondas de rádio e ao microondas, seu alcance está entre 0,7 e 100 micrômetros.

Entidades produzem mais frequentemente calor que pode ser detectado por espectadores noturnos e pele. Eles são frequentemente usados ​​para controles remotos e sistemas de comunicação especiais.

Luz visível

Na divisão referencial do espectro, encontramos a luz perceptível, que tem um comprimento de onda entre 0,4 e 0,8 micrômetros. O que distinguimos são as cores do arco -íris, onde a menor frequência é caracterizada pela cor vermelha e a mais alta pela violeta.

Seus valores de comprimento são medidos em nanômetros e angstrom, representa uma parte muito pequena de todo o espectro e esse intervalo inclui a maior quantidade de radiação emitida pelo sol e estrelas. Além disso, é o produto da aceleração de elétrons em trânsitos de energia.

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Nossa percepção das coisas é baseada em uma radiação visível que afeta um objeto e depois nos olhos. Então o cérebro interpreta as frequências que dão origem à cor e detalhes presentes nas coisas.

UV

Essas ondulações são encontradas no intervalo de 4 e 400 nm, são geradas pelo sol e outros processos que emitem grandes quantidades de calor. A exposição prolongada a essas ondas curtas pode causar queimaduras e certos tipos de câncer nos seres vivos.

Como eles são o produto de saltos de elétrons em moléculas e átomos excitados, sua energia intervém em reações químicas e são usadas em medicina para esterilizar. Eles são responsáveis ​​pela ionosfera, pois a camada de ozônio evita seus efeitos nocivos na terra.

Raios-X

Essa designação é porque são ondas eletromagnéticas invisíveis capazes de atravessar corpos opacos e produzir impressões fotográficas. Localizado entre 10 e 0,01 nm (30 a 30.000 phz), são o resultado de elétrons que saltam de órbitas em átomos pesados.

Esses raios podem ser emitidos pela coroa do sol, pulsares, supernovas e buracos negros devido à sua grande quantidade de energia. Sua exposição prolongada causa câncer e é usada no campo da medicina para obter imagens de estruturas ósseas.

Raios gama

Localizados na extremidade esquerda do espectro, eles são as ondas mais freqüentes e geralmente ocorrem em buracos negros, supernovas, pulsares e estrelas de nêutrons. Eles também podem ser uma conseqüência da fissão, explosões nucleares e raios.

Como eles são gerados por processos de estabilização no núcleo atômico após emissões radioativas, são letais. Seu comprimento de onda é subatômico, o que lhes permite cruzar átomos. Mesmo assim eles são absorvidos pela atmosfera da Terra.

Aplicações das diferentes ondas eletromagnéticas

Ondas eletromagnéticas têm as mesmas propriedades em termos de reflexão e reflexão que ondas mecânicas. E ao lado da energia que eles propagam, eles também podem transportar informações.

Por esse motivo, os diferentes tipos de ondas eletromagnéticas foram aplicadas a um grande número de tarefas diferentes. Em seguida, veremos alguns dos mais comuns.

Espectro eletromagnético e algumas de suas aplicações. Fonte: Tatoute e Phroood [CC BY-SA 3.0 (http: // criativecommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]]

Ondas de rádio

Logo após ser descoberto, Guglielmo Marconi mostrou que eles poderiam ser uma excelente ferramenta de comunicação. Desde sua descoberta por Hertz, comunicações sem fio com frequências de rádio como AM e Radio AM e FM, televisão, telefones celulares e muito mais, eles têm se estendendo cada vez mais em todo o mundo.

Microondas

Eles podem ser usados ​​para aquecer os alimentos, porque a água é uma molécula dipolo capaz de responder a campos elétricos oscilantes. Os alimentos contêm moléculas de água, que quando expostas a esses campos, começam a oscilar e colidir entre si. O efeito resultante está aquecendo.

Eles também podem ser usados ​​em telecomunicações, devido à sua capacidade de se mover na atmosfera com menos interferência do que outras ondas de comprimento de onda.

Ondas infravermelhas

A aplicação mais característica do infravermelho são dispositivos de visão noturna. Eles também são usados ​​na comunicação entre dispositivos e técnicas espectroscópicas para o estudo de estrelas, nuvens de gás interestelares e exoplanetas.

Com eles, você também pode criar mapas de temperatura corporal, que servem para identificar alguns tipos de tumores cuja temperatura é maior que a dos tecidos circundantes.

Luz visível

A luz visível forma grande parte do espectro emitido pelo sol, ao qual a retina responde.

UV

Os raios ultravioleta têm energia suficiente para interagir significativamente com a matéria; portanto, a exposição contínua a essa radiação causa envelhecimento prematuro e aumenta o risco de desenvolver câncer de pele.

Rains X e raios gama

Os raios X e os raios gama têm ainda mais energia e, portanto, são capazes de penetrar nos tecidos moles, portanto, quase desde o momento de sua descoberta que foram usados ​​para diagnosticar fraturas e examinar o interior do corpo na busca por doença.

Raios -X e raios gama são usados ​​não apenas como uma ferramenta de diagnóstico, mas como uma ferramenta terapêutica para destruição do tumor.

Referências

1. Giancoli, d.  (2006). Física: Princípios com aplicações. Sexta edição. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, a. (2011). Fundamentos da Física. Pearson. 503 - 512.
3. Sears, f. (2015). Física da Universidade com Física Moderna. 14ª edição. Pearson. 1053 - 1057.