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Ondas Eletromagnéticas

Um campo elétrico que varia age como uma corrente, chamada de corrente de deslocamento, e cria um campo magnético. Um campo magnético que varia cria um campo elétrico. Juntos, eles viajam como uma onda eletromagnética (OEM) a c = 3 × 10⁸ m/s, até no espaço vazio. E e B são perpendiculares entre si e à direção de propagação, por isso as OEM são transversais. Em ordem de comprimento de onda, formam o espectro: rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama.

🎬 História passo a passo

  1. Um capacitor está carregando. A corrente passa pelos fios, mas nenhuma carga pula pelo vão entre as placas. Mesmo assim, o campo elétrico no vão cresce. Esse campo que varia funciona como uma corrente. Chamamos de corrente de deslocamento.
  2. Um campo E que varia cria um campo B. Um campo B que varia cria um campo E. Um alimenta o outro, e assim o par pode sair dos fios e seguir sozinho.
  3. Esse par em movimento é uma onda eletromagnética. As setas vermelhas são E, as azuis são B. Elas sobem e descem juntas e andam a 3 × 10⁸ m/s. Não precisam de ar nem de água.
  4. Olhe as direções. E vai para cima e para baixo. B vai de um lado para o outro. A onda segue em frente. Os três formam 90° entre si. Por isso a onda é transversal.
  5. Todas as ondas eletromagnéticas são do mesmo tipo. Só muda o comprimento de onda. As mais longas são as de rádio. As mais curtas são micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama.
  6. Sua vez. Mexa no controle do comprimento de onda. Primeiro adivinhe o nome da faixa, depois confira o uso e a fonte.

Dica: arraste a cena 3D para girar. Use dois dedos para dar zoom.

🤔 Dúvidas comuns, esclarecidas

Se nenhuma carga atravessa o vão, como pode haver corrente ali?

Não há fluxo de cargas. Mas o campo elétrico no vão está variando, e um campo E que varia cria um campo magnético igual ao de uma corrente de verdade. Por isso chamamos de "corrente" pelo seu efeito.

A corrente de deslocamento existe sempre?

Só enquanto E está variando. Quando o capacitor está totalmente carregado, E para de variar e I_d vira zero, do mesmo jeito que a corrente no fio para.

Como os campos continuam sem fios?

Um E que varia cria um B que varia, e um B que varia cria um E que varia. Um cria o outro o tempo todo, e assim seguem pelo espaço.

A luz precisa de ar para viajar?

Não. As ondas eletromagnéticas não precisam de meio. A luz do Sol atravessa 150 milhões de km de espaço quase vazio.

Se E e B estão ali, para que lado a onda anda?

Perpendicular aos dois, ao longo de E × B. Veja E subir e descer, B ir de lado a lado e a onda seguir em frente.

Raios X e ondas de rádio são mesmo a mesma coisa?

São. Os dois são ondas eletromagnéticas com a mesma velocidade no vácuo. Só o comprimento de onda e a energia são diferentes.

Qual faixa carrega mais energia?

Quanto menor o comprimento de onda, mais energia. Deslize do rádio em direção ao gama e veja os nomes das faixas mudarem.

Corrente de deslocamento: a corrente que faltava

A lei de Ampère diz que uma corrente cria um campo magnético ao redor dela. Agora pense em um capacitor sendo carregado. A corrente passa pelos fios. Mas entre as placas há só ar ou vácuo. Nenhuma carga atravessa esse espaço.

Mesmo assim, existe campo magnético em volta do vão. Então algo ali dentro age como uma corrente. Maxwell descobriu o que é: o campo elétrico que varia entre as placas.

Ele deu o nome de corrente de deslocamento, Id:

Id = ε₀ × (dΦE/dt)

Aqui ΦE é o fluxo elétrico (campo × área) e ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C²/N m². Durante a carga, Id no vão é igual à corrente I no fio. Assim, a corrente fica "contínua" no circuito inteiro.

Lei de Ampère–Maxwell

A corrente total que cria campo magnético é I + Id. Em palavras: um campo magnético é criado por cargas em movimento e por um campo elétrico que varia.

Por que isso importa

Um B que varia cria E (Faraday). Um E que varia cria B (Maxwell). Essa ligação nos dois sentidos faz os campos se manterem um ao outro. É assim que existem a luz e as ondas de rádio.

Como nasce uma onda eletromagnética

Uma carga parada cria só um campo E. Uma carga em velocidade constante também cria um campo B, mas não cria onda. Uma carga que acelera (aumenta a velocidade, diminui ou vibra) emite ondas eletromagnéticas.

Exemplo: em uma antena de rádio, os elétrons sobem e descem milhões de vezes por segundo. Eles emitem ondas de rádio com a mesma frequência.

Características das ondas eletromagnéticas

Natureza transversal das ondas eletromagnéticas

Em uma onda transversal, a vibração é perpendicular à direção em que a onda anda. Para uma OEM que anda ao longo de x:

E, B e a direção de propagação formam 90° entre si. A direção de propagação é a de E × B.

Prova do dia a dia

Óculos de sol polarizados reduzem o brilho. Eles só deixam passar a luz cujo campo E vibra em uma direção. Só uma onda transversal pode ser "filtrada" assim. O som (onda longitudinal) não pode.

O espectro eletromagnético: do rádio ao gama

O espectro é a família completa das ondas eletromagnéticas, organizada por comprimento de onda. Do maior comprimento de onda (menor frequência, menor energia) ao menor:

FaixaComprimento de onda (aprox.)Como é produzidaUsos
Rádio> 0.1 mElétrons se movendo em antenasRádio, TV, celular
Micro-ondas0.1 m a 1 mmVálvulas magnetron / klystronRadar, forno de micro-ondas, Wi-Fi, ligações por satélite
Infravermelho1 mm a 700 nmCorpos quentes, moléculas vibrandoControle remoto de TV, visão noturna, calor em fisioterapia, efeito estufa
Visível700 nm a 400 nmElétrons saltando dentro dos átomosEnxergar, fotografia, fibra óptica
Ultravioleta400 nm a 1 nmSol, corpos muito quentes, lâmpadas de arcoMatar germes na água, checar notas falsas, cirurgia ocular a laser
Raios X1 nm a 10⁻³ nmElétrons rápidos batendo em um alvo de metalRadiografia de ossos e dentes, inspeção de bagagem em aeroportos
Raios gama< 10⁻³ nmNúcleos radioativos, reações nuclearesDestruir células de câncer, esterilizar instrumentos médicos

Segurança em palavras simples

Quanto menor o comprimento de onda, mais energia em cada pacotinho. O UV pode causar queimadura de sol; a camada de ozônio bloqueia a maior parte dele. Raios X e raios gama podem machucar as células, por isso a dose é mantida baixa.

Teste em casa

Aponte o controle remoto da TV para a câmera frontal do celular e aperte um botão. A câmera mostra uma luzinha piscando. Seus olhos não veem essa luz infravermelha, mas a câmera vê. Agora ponha um copo de água na frente: continua funcionando. Ponha a mão na frente: para. Depois use o controle de λ no 3D para achar a faixa que o controle usa.

Fórmulas e definições principais

Exemplos resolvidos

1. Uma rádio FM transmite em 100 MHz. Encontre o comprimento de onda.

Passo 1: c = fλ, então λ = c/f. Passo 2: λ = (3 × 10⁸) / (100 × 10⁶) = 3 m. Resposta: 3 m (faixa de rádio).

2. A luz amarela tem comprimento de onda de 600 nm. Encontre sua frequência.

Passo 1: f = c/λ. Passo 2: λ = 600 × 10⁻⁹ m = 6 × 10⁻⁷ m. Passo 3: f = 3 × 10⁸ / 6 × 10⁻⁷ = 5 × 10¹⁴ Hz.

3. Em uma onda eletromagnética, o campo magnético máximo é B₀ = 2 × 10⁻⁸ T. Encontre o campo elétrico máximo.

Passo 1: E₀ = c B₀. Passo 2: E₀ = 3 × 10⁸ × 2 × 10⁻⁸ = 6 V/m.

4. Uma onda tem λ = 1 nm. Diga o nome da faixa e encontre f.

Passo 1: 1 nm fica na fronteira entre UV e raios X; vamos considerar raios X moles. Passo 2: f = 3 × 10⁸ / 10⁻⁹ = 3 × 10¹⁷ Hz.

5. Um capacitor de 2 μF é carregado de modo que a tensão sobre ele sobe a 5 × 10⁴ V/s. Encontre a corrente de deslocamento entre as placas.

Passo 1: A carga é Q = CV, então a corrente que entra na placa é I = C dV/dt. Passo 2: No vão, I_d é igual a essa corrente. Passo 3: I_d = 2 × 10⁻⁶ × 5 × 10⁴ = 0.1 A.

6. Um capacitor de placas paralelas tem área de placa de 0.02 m². O campo elétrico entre as placas varia a 5 × 10¹² V/(m s). Encontre I_d.

Passo 1: Φ_E = E × A, então dΦ_E/dt = A × dE/dt = 0.02 × 5 × 10¹² = 10¹¹ V m/s. Passo 2: I_d = ε₀ dΦ_E/dt = 8.85 × 10⁻¹² × 10¹¹ ≈ 0.885 A.

7. A luz de frequência 5 × 10¹⁴ Hz entra no vidro com n = 1.5. Encontre sua velocidade e seu comprimento de onda dentro do vidro.

Passo 1: v = c/n = 3 × 10⁸ / 1.5 = 2 × 10⁸ m/s. Passo 2: A frequência não muda ao entrar em outro meio. Passo 3: λ = v/f = 2 × 10⁸ / 5 × 10¹⁴ = 4 × 10⁻⁷ m = 400 nm.

8. Verifique que 1/√(μ₀ε₀) dá a velocidade da luz. (μ₀ = 4π × 10⁻⁷, ε₀ = 8.85 × 10⁻¹²)

Passo 1: μ₀ε₀ = 4π × 10⁻⁷ × 8.85 × 10⁻¹² ≈ 1.112 × 10⁻¹⁷. Passo 2: √(1.112 × 10⁻¹⁷) ≈ 3.33 × 10⁻⁹. Passo 3: 1 / 3.33 × 10⁻⁹ ≈ 3 × 10⁸ m/s. Isso bate com a luz, então a luz é uma onda eletromagnética.

Erros comuns

Quiz de prática

1. A corrente de deslocamento é causada por:
2. Qual tem o menor comprimento de onda?
3. Em uma onda eletromagnética, o ângulo entre E e B é:
4. Qual é usada no controle remoto da TV?
5. A velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é:

Prática: responda você mesmo

Digite ou escolha sua resposta e aperte Conferir. Use a dica se travar; a solução completa aparece depois que você responder.

Perguntas frequentes

O que é corrente de deslocamento, em palavras simples?

É a "corrente" criada por um campo elétrico que varia, por exemplo no vão de um capacitor carregando. Ela cria um campo magnético como uma corrente normal. I_d = ε₀ dΦ_E/dt.

Qual é a ordem do espectro eletromagnético?

Rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios X, raios gama, do maior para o menor comprimento de onda.

Por que as ondas eletromagnéticas são transversais?

Porque os campos elétrico e magnético vibram perpendicularmente à direção em que a onda anda.

Onde isso é ensinado

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
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Spain2º BachilleratoVibrations and waves
Ukraine9 класElectromagnetic phenomena; electromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Electromagnetic Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Properties of Substances and Mixtures
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Electromagnetic waves
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