Radiação eletromagnética.

 Recomendações aos alunos:

* Leiam com atenção e observem os exemplos.

* Assistam às vídeo aulas pelo CMSP, TV, plataforma Stoodi.

* Façam pesquisas em livros didáticos ou pela internet.

* Identifiquem as atividades com a data de postagem, nome, série, turma e n° de chamada (se possível).

* Enviem as atividades para o E-mail: josecorreia@prof.educacao.sp.gov.br

* Data de entrega: até 15/09.

Olá pessoal! Que todos estejam bem.

Nessa semana vamos estudar a radiação eletromagnética.

Definição de ondas eletromagnéticas

São fenômenos oscilatórios que transportam energia e não necessitam de um meio físico para propagar-se. As ondas eletromagnéticas são produzidas por campos elétricos e campos magnéticos oscilantes e perpendiculares entre si. Seus tipos são classificados de acordo com seu intervalo de frequência, segundo o espectro eletromagnético.

As ondas eletromagnéticas foram descritas matematicamente, pela primeira vez, em 1864, pelo matemático escocês James Clerk Maxwell, por meio de um conjunto de equações conhecidas como equações de Maxwell.

A prova definitiva da existência das ondas eletromagnéticas veio por volta de 1880, na época, o físico alemão Heinrich Hertz produziu, detectou e comprovou a existência das ondas de rádio, que se movem à velocidade da luz e apresentavam todas as características das ondas descritas nos trabalhos de Maxwell. Caso tenha maior interesse no tema deste tópico, leia: Ondas eletromagnéticas.

Características das ondas eletromagnéticas

Vamos listar algumas das características das ondas eletromagnéticas, confira:

• Não necessitam de um meio físico para propagarem-se. No vácuo, elas viajam na velocidade da luz — 299.792.458 m/s.
• São transversais e caracterizam-se pelo fato da direção em que elas propagam-se ser perpendicular à direção do estímulo que as produz.
• Propagam-se nas três direções do espaço, portanto, são ondas de propagação tridimensional.
• Podem sofrer diversos tipos de fenômenos, como reflexão, refração, absorção, difração, interferência, dispersão, espalhamento, polarização etc.
• Sua velocidade de propagação depende exclusivamente do meio em que elas se propagam, uma vez que cada meio apresenta um determinado índice de refração.
• De acordo com a dualidade onda/partícula, proposta pelo físico alemão Albert Einstein, em seu artigo de 1905 que explica o efeito fotoelétrico, a luz pode comportar-se tanto como uma onda quanto como um conjunto de partículas chamadas de fótons.

Além dessas, existem características físicas que distinguem uma onda eletromagnética de outra, confira:

• Amplitude: tem relação com a intensidade das ondas eletromagnéticas, ou seja, depende da quantidade de energia que a onda é capaz de transferir a cada segundo.
• Velocidade: depende do índice de refração em que a onda eletromagnética propaga-se. No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas propagam-se na velocidade da luz.
• Frequência: é a medida de oscilações que o campo elétrico realiza a cada segundo. Segundo o SI, essa unidade é o s^-1, conhecido como Hertz,
• Comprimento de onda: diz respeito ao tamanho que uma onda percorre até que se complete uma oscilação do campo elétrico. O comprimento de onda equivale à distância entre dois picos ou dois vales consecutivos.

A radiação eletromagnética pode ser representada como um campo elétrico oscilante (oscilando no plano da página/tela do computador), e um campo magnético perpendicular ao primeiro (neste caso, oscilando para dentro e para fora da página). O eixo Y é a amplitude, e o eixo X é a distância no espaço.

As ondas eletromagnéticas consistem em um campo elétrico oscilante com um campo magnético oscilante perpendicular. Imagem, disponível em UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0

Os campos elétricos e magnéticos são  perpendiculares, formam ângulo de 90° entre si.

Fórmula das ondas eletromagnéticas

A principal fórmula utilizada para as ondas eletromagnéticas é a que relaciona velocidade de propagação, comprimento de onda e frequência, observe:

v – velocidade de propagação (m/s)

λ – comprimento de onda (m)

f – frequência (Hz)

Espectro eletromagnético é o conjunto de todas as frequências da radiação eletromagnética. Ele apresenta sete tipos de radiação que interagem de formas diferentes com a matéria e estão presentes em nosso cotidiano, em aplicações tecnológicas, são elas: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, radiação ultravioleta, raios x e raios gama.

Espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético divide-se em sete intervalos de frequências de ondas eletromagnéticas. Esses tipos produzem efeitos diferentes sobre a matéria, confira quais são:

• Infravermelho: também conhecido como ondas de calor, transfere energia para os átomos e moléculas, fazendo-os oscilar mais intensamente, causando um aumento de temperatura.
• Luz visível: consegue excitar os elétrons dos átomos, causando mudanças nos níveis de energia dos átomos.
• Radiação ultravioleta: transporta uma grande quantidade de energia, desse modo, é capaz de arrancar os elétrons dos átomos, ionizando-os.
• Raios x: têm capacidade de ionizar os átomos e também produzir transições de energia no núcleo dos átomos, que reemitem novas frequências de raios x.
• Radiação gama: transportam uma grande quantidade de energia e, por isso, podem desestabilizar o núcleo dos átomos, que podem sofrer fissão nuclear.

A figura seguinte apresenta o espectro eletromagnético, observe:

A figura mostra os diferentes tipos de radiação eletromagnética.

O espectro eletromagnético

As ondas eletromagnéticas podem ser classificadas e organizadas de acordo com seus diversos comprimentos de onda/frequências. Esta classificação é conhecida como o espectro eletromagnético. A tabela a seguir nos mostra este espectro, que é formado por todos os tipos de radiação eletromagnética que existem no nosso universo.

O espectro eletromagnético é composto por todas as variedades de radiação do universo. Os raios gama têm a frequência mais alta, enquanto as ondas de rádio têm as mais baixas. A luz visível está, aproximadamente, no meio do espectro e abrange uma fração muito pequena do espectro todo.

Espectro eletromagnético. Imagem disponível em UC Davis ChemWiki, CC-BY-NC-SA 3.0

A radiação pode ser ionizante ou não ionizante.

A radiação ionizante possui alta frequência e alta energia, arrancando elétrons dos átomos, provocando a ionização.

A radiação não ionizante possui baixa frequência e baixa energia, portanto não provoca a ionização dos átomos.

A radiação ionizante pode provocar alterações nas células e doenças, como o câncer.

A radiação não ionizante não prejudica a saúde.

Exemplos de ondas eletromagnéticas em nosso dia a dia

Confira alguns exemplos de aplicações dos tipos de ondas eletromagnéticas em fenômenos e tecnologias presentes em nosso cotidiano:

• Ondas de rádio: são usadas na transmissão dos sinais de TV, rádio, GPS e telefonia celular.
• Micro-ondas: são usadas em fornos que aquecem alimentos. Esse aquecimento acontece graças à ressonância entre as moléculas de água e as micro-ondas de frequência próxima aos 2450 MHz.
• Infravermelho: não é visível a olho nú, entretanto, existem câmeras de segurança que fazem imagens noturnas bastante nítidas por meio da sua captação.
• Luz visível: é aquela que excita os órgãos sensoriais da visão, permitindo que enxerguemos o mundo e todas as coisas ao nosso redor. Essa luz estende-se pelos tons de vermelho, amarelo, verde, laranja, amarelo, verde, ciano, azul e violeta.
• Ultravioleta: não é percebida pelo olho humano, entretanto, somos constantemente expostos a esse tipo de radiação graças à radiação solar. Por tratar-se de uma radiação ionizante, a luz ultravioleta pode causar mutações genéticas nas células da pele, levando ao surgimento do câncer de pele.
• Raios x: são radiações ionizantes, com alto poder de penetração, e largamente utilizados para realizar exames de imagem, como a radiografia e a tomografia. Além disso, podem ser usados no combate ao câncer por meio da radioterapia.
• Raios gama: são as ondas eletromagnéticas mais energéticas de todo o espectro eletromagnético. Eles são produzidos por reações nucleares e são altamente ionizantes, por isso, são usados para análise da estrutura interna de sólidos, esterilização de produtos e utensílios médicos etc.

Radar é um sistema de detecção de objetos, usando ondas de rádio para determinar o intervalo, altitude, direção e velocidade de tais objetos. Esses objetos podem ser aeronaves, navios, naves espaciais, mísseis teleguiados, automóveis, formações meteorológicas e geológicas. A antena transmite pulsos de ondas de rádio, ou microondas, que "ricocheteiam" em qualquer objeto que atingem. A energia resultante desse ricochete retorna para a antena, que geralmente está localizado no mesmo local que o transmissor.

Foto: David Monniaux / Wikimedia

Esse sistema foi secretamente desenvolvido por vários países antes e durante a Segunda Guerra Mundial. O termo "RADAR" foi foi cunhado em 1940 pela Marinha dos Estados Unidos, como uma sigla para "RAdio Detection And Ranging". Logo, o termo entrou em vários idiomas, tornando-se um substantivo comum.

Hoje, o uso do radar é bastante diversificado, incluindo o controle de tráfego aéreo, a astronomia, sistemas de defesa aérea, sistemas anti-mísseis, radares marítimos para localizar pontos de referência e outros navios, sistemas anticolisão das aeronaves, sistemas de vigilância do mar, vigilância espacial, sistemas de monitoramento e controle de rodovias, entre outros usos militares. Além dessas tarefas, o radar também pode ser usado para monitoramento metereólogo de precipitação pluviométrica. Sistemas de radar de alta tecnologia são associados com o processamento de sinal digital, sendo capaz de extrair a informação útil a partir de níveis de ruído muito elevados. Outros sistemas semelhantes ao radar fazer uso de outras partes do espectro electromagnético. Um exemplo é "lidar", que utiliza a luz visível de lasers em vez das ondas de rádio.

O que é Tomografia Computadorizada?

A tomografia computadorizada é um exame cujo funcionamento é semelhante ao raio X onde são utilizados esses mesmos raios para obter imagens de partes internas do paciente (ossos, órgãos e outras estruturas), então, a máquina que executa a tomografia produz radiografias transversais, que são processadas por um computador.

 

Após esse processamento, o resultado são imagens bem detalhadas da área que o médico especialista precisa avaliar.

Diferenças entre RX e Tomografia Computadorizada

A maior diferença (e vantagem) entre a tomografia computadorizada e o raio X é que aquela é mais precisa, por isso, é mais eficiente na detecção de lesões, fraturas ou tumores que ainda estejam muito pequenos.

* Laser.

A palavra Laser tem origem no inglês e é a abreviação para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que, traduzindo para o português, significa Amplificação da luz por emissão estimulada de radiação. O funcionamento do laser baseia-se na emissão estimulada, um conceito introduzido por Einstein em 1917. Porém, o laser só foi desenvolvido em 1960, configurando-se como um tipo de radiação eletromagnética visível que tem como principais características:

• Monocromática: ou seja, a luz do laser apresenta somente um comprimento de onda e, consequentemente, uma única cor.

• Coerente: se dois feixes produzidos por um mesmo laser forem separados e, em seguida, recombinados, mesmo após percorrerem longas distâncias, ainda haverá uma relação constante entre as fases dos dois feixes.

• Direcional: o feixe de luz produzido por um laser é formado por ondas produzidas na mesma direção e é bastante estreito, ou seja, propaga-se na mesma direção e sofre o mínimo de dispersão.

• Alta intensidade: Outra característica é que a luz do laser é muito potente, podendo chegar à ordem de 10¹² Watts. Com isso, a intensidade da luz do laser produzida é extremamente grande.

Funcionamento

Um átomo é constituído de um núcleo, onde ficam os prótons e os nêutrons, e da eletrosfera ao redor do núcleo, onde ficam os elétrons em órbita. Cada órbita do elétron possui um nível energético. Quando submetido à energia eletromagnética, o elétron absorve energia e passa a ocupar um nível mais energético do átomo, ou seja, um estado excitado, possuindo uma forte tendência a retornar ao seu nível “natural”. Se o átomo está no estado excitado e novamente recebe uma radiação, esta pode estimular o átomo a passar para o estado fundamental, emitindo outro fóton de energia igual à que foi submetido.

O fóton emitido possui a mesma energia da radiação que estimulou a emissão e, ao atingir outro átomo em mesmo estado, também estimula a emissão de outros fótons com características iguais, produzindo um efeito em cascata. Quando o número de fótons emitidos for maior do que os absolvidos, o laser produz luz.

Entre as utilizações do raio laser, temos: a leitura de código de barras, fabricação e leitura de CDs e DVDs, cirurgias, tratamentos estéticos, geração de sinais a serem transmitidos por fibra óptica, tratamento fototerapêutico, entre outras.

Por Mariane Mendes
Graduada em Física

Laser: radiação eletromagnética de alta potência.

Exemplos.

1) Sabendo que a frequência da cor vermelha é f = 4,6 . 10¹⁴ e sendo a velocidade da luz                      c = 3.10⁸ m/s, calcule o comprimento de onda dessa cor.

Resolução:

λ =   c   
         f

λ =    3 . 10⁸   
        4,6.10¹⁴

λ = 0,65 . 10^-6

λ = 6,5 . 10-⁷ m

Agora responda as questões que seguem.

Exercícios.

1) Assinale a opção correta:

a) Ao passar de um meio para o outro, um feixe monocromático de luz muda de cor;

b) O comprimento de onda para uma determinada cor permanece inalterado, independente do meio de propagação;

c) A luz branca é composta por apenas um comprimento de onda.

d) A frequência da luz é diretamente proporcional à sua velocidade de propagação.

e) A luz vermelha tem maior energia do que a luz violeta.

2) A faixa de radiação eletromagnética perceptível dos seres humanos está compreendida entre o intervalo de 400 a 700 nm (nanômetro).

Considere as afirmativas a seguir.

I - A cor é uma característica somente da luz absorvida pelos objetos;

II - Um corpo negro ideal absorve toda a luz incidente, não refletindo nenhuma onda eletromagnética;

III - A frequência de uma determinada cor (radiação eletromagnética) é sempre a mesma;

IV - A luz ultravioleta tem energia maior do que a luz infravermelha.

Assinale a alternativa CORRETA:

a) Somente as afirmativas I e II são corretas.

b) Somente as afirmativas I e III são corretas.

c) Somente as afirmativas II, III e IV são corretas.

d) Somente as afirmativas I, III e IV são corretas.

e) Somente as afirmativas II e IV são corretas.

3) Em 1895, o físico alemão Wilheim Conrad Roentgen descobriu os raios X, que são usados principalmente na área médica e industrial. Esses raios são:

a) Radiações formadas por partículas alfa com grande poder de penetração.

b) Radiações formadas por elétrons dotados de grandes velocidade.

c) Ondas eletromagnéticas de frequências iguais as das ondas infravermelhas.

d) Ondas eletromagnéticas de frequências menores do que as das ondas luminosas.

e) Ondas eletromagnéticas de frequências maiores que as das ondas ultravioletas.

4) Há uma informação que está circulando nos grupos de WhatsApp sobre os termômetros de radiação infravermelha. Estão dizendo que esse tipo de termômetro, quando colocado em direção à testa das pessoas, pode prejudicar a glândula pineal, que se localiza no centro do cérebro, e é responsável pela produção de melatonina (hormônio do sono). Podemos afirmar que essa informação é FAKE NEWS, pois:

a) a radiação infravermelha é uma radiação ionizante, e portanto é prejudicial a saúde das pessoas.

b) a radiação infravermelha é radiação térmica, e portanto o nosso corpo emite esse tipo de radiação. Assim, não pode prejudicar a glândula pineal.

c) a radiação infravermelha possui alta frequência, e prejudica a saúde neural.

d) a radiação infravermelha não pode ser detectada, e por isso não faz mal à saúde das pessoas.

e) a radiação infravermelha tem frequência menor do que as ondas de rádio, e não podem prejudicar a glândula pineal, pois esta se encontra no centro do cérebro protegida por ossos e tecidos.

5) A velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é de 3. 10⁸ m/s. Calcule qual a frequência dos raios X, sabendo que sua onda possui comprimento de 0,1 Å.

Observação:

Å ( angströn)

1 Å = 1 . 10-¹⁰ m

a) 3 . 10¹⁹ Hz.

b) 3 . 10¹⁸ Hz

c) 3 . 10-¹⁹ Hz

d) 3 . 10-¹⁸ Hz

e ) 3 . 10¹⁷ Hz