AFÍSICADOSÉCULOXX–PARTE3:ONDASELETROMAGNÉTICAS
CONTEÚDOS
Ondas eletromagnéticas Estrutura da matéria
AMPLIANDOSEUSCONHECIMENTOS
Refletimos no capítulo A natureza da luz sobre o comportamento da luz. Ela pode ser entendida como uma onda ou como uma partícula.
Vamos retomar alguns dos conteúdos e fenômenos estudados naquele momento tais como o efeito fotoelétrico, os fótons, a frequência e o comprimento de onda. Esses tópicos são importantes para nossa reflexão sobre as ondas eletromagnéticas. Além disso, é necessário que retomemos um aspecto importante das ondas eletromagnéticas.
Os diversos tipos de ondas eletromagnéticas conhecidas constituem o espectro eletromagnético. Todas se propagam com a
mesma velocidade de 300.000 km/s. Pode-se subdividir o espectro eletromagnético em diversos tipos de ondas, em função das suas frequências ou dos seus comprimentos de onda. Nessas subdivisões, as ondas eletromagnéticas recebem as denominações indicadas no quadro ao lado.
Como dito, essas ondas se diferem uma da outra pelos valores de suas frequências e pela maneira como são produzidas. Por possuírem frequências distintas e se propagarem com a mesma velocidade, elas também possuirão diferentes comprimentos de onda. Você pode encontrar a definição de comprimento de onda no capítulo Ondas por toda a parte...até no vácuo deste material didático.
Observe a seguir representações para alguns comprimentos de onda. Perceba nas ilustrações o “formato” dos diferentes tamanhos para os comprimentos de onda, das ondas eletromagnéticas em destaque.
As ondas eletromagnéticas têm comportamento duplo!
Elas se propagam como ondas mas, ao interagir, comportam-se como partículas, chamadas fótons.
• Raios-gama • Raios X
• Raios ou radiação ultravioleta • Raios ou radiação infravermelha • Micro-ondas
• Luz visível • Ondas de rádio
E o espectro eletromagnético com todos os tipos de ondas eletromagnéticas que o compõem, pode ser representado a partir das faixas de comprimentos de onda (figura 2)
λ
Luz visívelλ
Raios Xλ
Raios Gamaλ
Ondas de rádioFigura 1 – Diferentes comprimentos de onda para diferentes ondas eletromagnéticas Fonte: Fundação Bradesco
Figura 2 – Representação do espectro eletromagnético a partir dos seus comprimentos de onda Fonte: PontoCiência
No capítulo Ondas por toda a parte...até no vácuo, deste material didático, apresentamos as expressões para o período (T), a frequência (f), o comprimento de onda (λ) e a velocidade (v) de propagação de uma onda. Essas expressões continuam válidas para as ondas eletromagnéticas.
É importante lembrar que as ondas eletromagnéticas se propagam com a velocidade da luz, identificada por “c”. Portanto, ao fazer uso das expressões acima, substitua o valor da velocidade “v” pelo valor de “c”, que no vácuo vale 3.105 km/s (3.108 m/s).
ATIVIDADES
1. Dê exemplos de ondas eletromagnéticas.
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O espectro eletromagnético é uma faixa contínua de ondas que compreende desde as ondas de rádio, até os raios gama. Todas as ondas são as mesmas em sua natureza básica, diferenciando-se principalmente nas frequências de oscilação e em seus comprimentos de onda. Entretanto, todas possuem o mesmo valor de velocidade. A figura acima é meramente ilustrativa e não foi utilizada uma escala na sua construção. Ondas de rádio Micro- ondas Infravermelho Ultravioleta Raios X Raios gama Luz visível
Figura 3 – Faixa do espectro eletromagnético desde as ondas de rádio até os raios gama Fonte: Fundação Bradesco
2. Radiações como raios X, luz verde, luz ultravioleta, micro-ondas ou ondas de rádio, são caracterizadas por seu comprimento de onda e por sua frequência (f). Quando essas radiações propagam-se no vácuo, todas apresentam o mesmo valor para
a) sua velocidade.
b) seu comprimento de onda. c) sua frequência.
d) seu período. e) sua amplitude.
3. (PUC – RS – 2002) 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 velocidades.
c) ondas eletromagnéticas de frequências maiores que as das ondas ultravioletas. d) ondas eletromagnéticas de frequências menores do que as das ondas luminosas. e) ondas eletromagnéticas de frequências iguais as das ondas infravermelhas
4. (Fuvest – SP) Um forno de micro-ondas é projetado para, mediante um processo de ressonância, transferir energia para os alimentos que necessitamos aquecer ou cozer. Nesse processo de ressonância, as moléculas de água do alimento começam a vibrar, produzindo o calor necessário para o cozimento ou aquecimento. A frequência de ondas produzidas pelo forno é da ordem de 2,45.109 Hz, que é igual à frequência própria de vibração da molécula de água.
a) Qual o comprimento das ondas do forno?
b) Por que os fabricantes de forno micro-ondas aconselham aos usuários a não utilizarem invólucros metálicos para envolver os alimentos?
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5. (UFPR – 2010) O primeiro forno de micro-ondas foi patenteado no início da década de 1950 nos Estados Unidos pelo engenheiro eletrônico Percy Spence. Fornos de micro-ondas mais práticos e eficientes foram desenvolvidos nos anos 1970 e a partir daí ganharam
grande popularidade, sendo amplamente utilizados em residências e no comércio. Em geral, a frequência das ondas eletromagnéticas geradas em um forno de micro-ondas é de 2450 MHz. Em relação à Física de um forno de micro-ondas, considere as seguintes afirmativas:
1. Um forno de micro-ondas transmite calor para assar e esquentar alimentos sólidos e líquidos.
2. O comprimento de onda dessas ondas é de aproximadamente 12,2 cm.
3. As ondas eletromagnéticas geradas ficam confinadas no interior do aparelho, pois sofrem reflexões nas paredes metálicas do forno e na grade metálica que recobre o vidro da porta.
Assinale a alternativa correta.
a) Somente a afirmativa 1 é verdadeira. b) Somente a afirmativa 2 é verdadeira. c) Somente a afirmativa 3 é verdadeira.
d) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
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6. A velocidade de uma onda eletromagnética no vácuo é de 3x108 m/s e o módulo de sua velocidade no ar pode ser considerado o mesmo. Uma emissora de rádio transmite com uma frequência de 100 MHz (mega-hertz). Qual o valor aproximado do comprimento de onda, dessa onda eletromagnética?
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a) o mesmo comprimento de onda. b) a mesma frequência.
c) o mesmo período. d) a mesma amplitude. e) a mesma velocidade
LEITURA COMPLEMENTAR
Uma estranha forma de ver o mundo
A compreensão do mundo a nossa volta é uma tarefa que tem sido realizada por filósofos e cientistas há milhares de anos. Várias tentativas já foram empreendidas, algumas com sucesso e outras com fracasso. No caso particular da física, muitas teorias e modelos já foram propostos e refutados. Atualmente, ela está fundamentada em duas grandes teorias: a teoria da relatividade geral de Einstein e a mecânica quântica. A mecânica quântica, ao contrário da teoria da relatividade geral, que foi uma obra praticamente exclusiva de Einstein, foi uma realização coletiva construída ao longo das primeiras décadas do século 20. Sua forma de entender a natureza foi uma ruptura com todos os conceitos que a física tinha construído nos séculos anteriores. Depois da mecânica quântica, o mundo nunca mais foi o mesmo.
Uma das ideias revolucionárias introduzidas pela mecânica quântica foi o conceito da dualidade onda-partícula. Até a metade do século 19, vários experimentos tinham mostrado que a luz se comportava como uma onda. Em 1865, o físico escocês James C. Maxwell (1831 – 1879) demonstrou que a luz era uma manifestação de oscilações periódicas produzidas por campos elétricos e magnéticos que se propagam por todo o espaço, como se fossem uma onda.
Contudo, mesmo com esses avanços, alguns fenômenos não podiam ser completamente entendidos. Um deles era o efeito fotoelétrico, no qual elétrons podem ser arrancados de um metal, gerando uma corrente elétrica, quando há incidência de luz. O importante nesse efeito não é a intensidade da luz, mas sim a frequência desta. Se a frequência for menor do que um determinado patamar mínimo, o fenômeno não é observado.
Contribuições de Einstein
A explicação do efeito fotoelétrico foi apresentada pelo alemão Albert Einstein (1879 – 1955) em 1905. Ele propôs que a luz era emitida e absorvida como se fosse constituída por pequenas partículas (‘quanta de luz’ ou fótons). A energia de cada fóton é proporcional à frequência associada da luz que incide sobre o material. Dessa maneira, o efeito só é observado quando a luz incidente tem energia suficiente para arrancar os elétrons dos átomos. Por essa explicação (e outras contribuições à ciência), Einstein recebeu o prêmio Nobel de física em 1921.
De acordo com o tipo de situação, a luz apresenta comportamento ondulatório, no caso da sua propagação, ou corpuscular, no caso do efeito fotoelétrico e no processo de fotossíntese, que também ocorre somente para fótons de determinada energia. Contudo, esse comportamento não é privilégio da luz.
Em 1924, o francês Louis de Broglie (1892 – 1987) propôs que as partículas atômicas constituintes dos átomos poderiam se comportar como se fossem ondas, ou seja, “ondas de matéria”. Alguns anos depois, em 1927, os americanos Clinton J. Davisson (1881-1958) e Lester H. Germer (1896 – 1971) e o inglês George P. Thomson (1892-1975) demonstraram o comportamento ondulatório para os elétrons de modo similar ao que acontece com a luz. Esses cientistas incidiram elétrons com alta energia sobre a superfície de um metal e observaram que os elétrons apresentam o fenômeno de difração da mesma forma que a luz.
Em 1937, Davisson e Thomson receberam o Nobel de física pela demonstração experimental da difração de elétrons em cristais. Curiosamente, em 1906, o inglês Joseph J. Thomson (1856 – 1940, pai de G.P. Thomson) foi agraciado com o Nobel, por suas investigações sobre a condução da eletricidade nos gases, que levaram à descoberta do elétron. Após 31 anos, o seu filho recebeu o mesmo prêmio por demonstrar que essa mesma partícula poderia se comportar como uma onda.
Afinal de contas, a luz é uma onda ou um corpúsculo? Elétrons, prótons, nêutrons etc. são ondas ou partículas? A mecânica quântica explica
As respostas a essas questões estão no âmago da mecânica quântica. Podemos dizer que, no mundo microscópico, os aspectos corpusculares e ondulatórios da matéria e energia são complementares, ou seja, um sistema quântico pode tanto exibir aspectos corpusculares ou aspectos ondulatórios, dependendo de como realizamos o nosso experimento, mas não ambos ao mesmo tempo. Portanto, não é possível montar uma experiência onde os dois aspectos possam ser revelados ao mesmo tempo. Essa explicação foi proposta pelo dinamarquês Niels Bohr (1885 – 1962) em 1928 e ficou conhecida como o princípio da complementaridade.
Associado a esse fato, há um outro princípio fundamental na mecânica quântica, conhecido como princípio da incerteza (ou princípio da indeterminação) proposto pelo alemão Werner Heisenberg (1901 – 1976) em 1927. Esse princípio introduziu a ideia de que é impossível conhecer com certeza absoluta, de maneira simultânea a posição e a quantidade de movimento de uma partícula. Da mesma forma, ele limita também nossa percepção em relação ao tempo e à energia de uma partícula. Essa limitação não é tecnológica, mas sim uma imposição da natureza e faz parte do âmago do mundo em escala atômica.
Podemos compreender um pouco melhor esta ideia imaginando a seguinte situação: para a detecção de qualquer objeto, é necessário interagir com ele. Se o objeto a ser detectado for um ente muito pequeno, como um elétron, precisamos interagir com ele utilizando algo do seu tamanho. Para observarmos um elétron é necessário “iluminá-lo” com uma radiação com comprimento de onda muito pequeno. Ao fazermos isso, a
interação com a radiação modifica a quantidade de movimento da partícula. Dessa forma, quanto maior for a nossa precisão em relação à posição do elétron (interagindo com ele com um comprimento de onda muito pequeno), maior será a quantidade de energia que ele absorverá, mudando a sua quantidade de movimento.
Embora esses conceitos da mecânica quântica pareçam estranhos, por contrariarem o senso comum, eles são até hoje demonstrados como válidos. De fato, grande parte da nossa tecnologia, como a eletrônica, o laser, o microscópio eletrônico, a energia atômica etc., é baseada na mecânica quântica. Embora o “mundo quântico” pareça estranho, ele não tem nada de mágico: apenas é dominado por uma outra lógica, por outra forma de ver o mundo.
Disponível em: <http://www.cienciahoje.org.br/noticia/v/ler/id/2829/n/uma_estranha_forma_de_ver_o_mundo>. Acesso em: 22 set. 2016. 16h22min.
INDICAÇÕES
Nos links https://www.youtube.com/watch?v=zFkaGmFZups e https://www.youtube.com/watch?v=XX9By5eHy0o você poderá aprofundar seus estudos sobre as ondas eletromagnéticas.
REFERÊNCIAS
GASPAR, A. Física – volume 3. São Paulo: Ática, 2000. HEWITT, P. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2012.
PIETROCOLA, M. Física em contextos: pessoal, social e histórico: volume 3. São Paulo: FTD, 2011.
PONTOCIÊNCIA. Representação do espectro eletromagnético a partir dos seus comprimentos de onda. Disponível em:
<https://www.google.com.br/search?q=espectro+eletromagn%C3%A9tico&biw=1360& bih=673&source=lnms&tbm=isch&sa=X&sqi=2&ved=0ahUKEwiw5sCv0aDPAhUFIZAK HYH-Cm8Q_AUIBigB&dpr=1#imgrc=OXedo6GrykPOPM%3A>. Acesso em: 21 set. 2016. 11h42min.
GABARITO
1. Raios-gama, raios X, raios ultravioletas, raios infravermelho, micro-ondas, luz visível e ondas de rádio.
2. Alternativa A 3. Alternativa C
4. Utilizando a expressão onde v é a velocidade da luz e vale 3.108 m/s e f é a frequência de valor 2,45.109 Hz. Teremos então para o comprimento de onda ( ). v = λ.f 3.108 = λ.2,45.109 λ = 3.108 2,45.109 λ = 1,22.108–9 λ = 1,22.10–1 = 0,122m
b) Porque os metais refletem as ondas dentro do forno diminuindo assim sua eficiência.
5.Alternativa E Afirmação 1
Falsa. O aquecimento ocorre devido à fricção entre as moléculas de água contidas no alimento.
Afirmação 2
Verdadeira. Trata-se do mesmo cálculo realizado no exercício 4 onde encontramos o comprimento de onda λ = 0,122 m, que expressos em centímetros equivale a 12,2 cm. Afirmação 3
Verdadeira. As micro-ondas são refletidas nas paredes para evitar vazamentos, aumentando a segurança do aparelho e a sua eficiência, além de propiciar o aquecimento homogêneo dos alimentos, também favorecido pela rotação do prato.
6. Utilizaremos a expressão teremos: v é a velocidade da luz e vale 3.108 m/s f é a frequência de valor 100 MHz
Observe que o valor 100 é acompanhado do símbolo “M” que corresponde ao prefixo “mega’ e vale 10106.
Dessa maneira, o valor 100 MHz corresponde a 100.106 Hz Escrevendo o valor 100 em notação científica teremos 1.102
Assim, a frequência 100.106 Hz pode ser expressa como 1.102.106 = 1.102+6 = 1.108 Hz. Portanto, a frequência 100 MHz pode, finalmente ser expressa na forma 1.108 Hz. Ficamos então com:
v = λ.f
3.108 = λ.1.108 λ = 3.108 1.108
λ = 3.108 1.108 λ = 3.108–8
λ = 3.100 = 3.1 = 3 m 7.
Após determinarmos o comprimento de onda da luz dos fogos de artifício em análise, comparamos o valor encontrado com aqueles que aparecem na figura fornecida no exercício e encontraremos a cor em solicitado.
Utilizando a expressão v = λ.f onde: v = 3 x 108 m/s f = 6,0 x 1014 Hz Teremos: v = λ.f 3.108 = λ.6.1014 3.108 = λ 6.1014 0,5.108–14 = λ λ = 0,5.10–6
Escrevendo o valor 0,5 em notação científica teremos 5.10–1 , e podemos reescrever o comprimento de onda na forma:
λ = 5.10–1.10–6 λ = 5.10–1–6 λ = 5.10–7 m
Comparando o valor encontrado com aqueles apresentados na figura, observa-se que o comprimento de onda 5.10–7 m, é o da luz verde.
8. Alternativa E. Todas as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma velocidade.
