Radiação electromagnética
TheoryEdit
Equações de MaxwellEditar
James Clerk Maxwell derivou uma forma de onda das equações elétricas e magnéticas, descobrindo assim a natureza ondulatória dos campos elétricos e magnéticos e sua simetria. Como a velocidade das ondas EM prevista pela equação da onda coincidiu com a velocidade medida da luz, Maxwell concluiu que a própria luz é uma onda EM. As equações de Maxwell foram confirmadas por Heinrich Hertz através de experimentos com ondas de rádio.
De acordo com as equações de Maxwell, um campo elétrico com variação espacial está sempre associado a um campo magnético que muda com o tempo. Da mesma forma, um campo magnético com variação espacial está sempre associado a mudanças específicas ao longo do tempo no campo elétrico. Numa onda electromagnética, as mudanças no campo eléctrico são sempre acompanhadas por uma onda no campo magnético numa direcção, e vice-versa. Esta relação entre os dois ocorre sem que um dos tipos de campo cause o outro; ao contrário, ocorrem juntos da mesma forma que as mudanças de tempo e espaço ocorrem juntas e estão interligadas em relatividade especial. Na verdade, campos magnéticos podem ser vistos como campos elétricos em outro quadro de referência, e campos elétricos podem ser vistos como campos magnéticos em outro quadro de referência, mas eles têm o mesmo significado que a física é a mesma em todos os quadros de referência, portanto a estreita relação entre espaço e tempo muda aqui é mais do que uma analogia. Juntos, esses campos formam uma onda eletromagnética propagadora, que se move para o espaço e nunca mais precisa interagir com a fonte. O campo EM distante formado desta forma pela aceleração de uma carga carrega consigo energia que “irradia” através do espaço, daí o termo.
Campos próximos e distantesEditar
Maxwell’s equações estabelecidas que algumas cargas e correntes (“fontes”) produzem um tipo local de campo eletromagnético próximo a elas que não tem o comportamento de EMR. As correntes produzem diretamente um campo magnético, mas é de um tipo dipolo magnético que se extingue com a distância da corrente. De forma semelhante, cargas móveis afastadas num condutor por um potencial eléctrico variável (como numa antena) produzem um campo eléctrico do tipo dipolo eléctrico, mas este também decresce com a distância. Estes campos compõem o campo próximo à fonte EMR. Nenhum destes comportamentos é responsável pela radiação EM. Em vez disso, eles causam um comportamento do campo eletromagnético que só transfere energia eficientemente para um receptor muito próximo da fonte, como a indução magnética dentro de um transformador, ou o comportamento de feedback que acontece perto da bobina de um detector de metais. Normalmente, os campos próximos têm um efeito poderoso em suas próprias fontes, causando um aumento da “carga” (diminuição da reatância elétrica) na fonte ou transmissor, sempre que a energia é retirada do campo eletromagnético por um receptor. Caso contrário, estes campos não “se propagam” livremente para o espaço, levando a sua energia para fora sem limite de distância, mas sim oscilam, devolvendo a sua energia ao transmissor se esta não for recebida por um receptor.
Por contraste, o campo distante do EM é composto de radiação que está livre do transmissor no sentido de que (ao contrário do que acontece num transformador eléctrico) o transmissor requer a mesma energia para enviar estas mudanças nos campos, quer o sinal seja imediatamente captado ou não. Esta parte distante do campo eletromagnético é a “radiação eletromagnética” (também chamada de campo distante). Os campos distantes se propagam (irradiam) sem permitir que o transmissor os afete. Isto faz com que eles sejam independentes no sentido de que sua existência e sua energia, depois de terem deixado o transmissor, é completamente independente tanto do transmissor como do receptor. Devido à conservação de energia, a quantidade de energia que passa por qualquer superfície esférica desenhada ao redor da fonte é a mesma. Como tal superfície tem uma área proporcional ao quadrado da sua distância da fonte, a densidade de energia da radiação EM sempre diminui com o quadrado inverso da distância da fonte; isto é chamado de lei do quadrado inverso. Isto contrasta com as partes dipolo do campo EM próximas à fonte (o campo próximo), que variam em potência de acordo com uma lei de potência em cubo inverso, e assim não transportam uma quantidade conservada de energia ao longo das distâncias, mas sim desvanecem-se com a distância, com a sua energia (como notado) retornando rapidamente ao transmissor ou absorvida por um receptor próximo (como uma bobina secundária de transformador).
O campo distante (EMR) depende de um mecanismo diferente para a sua produção do que o campo próximo, e de termos diferentes nas equações de Maxwell. Enquanto a parte magnética do campo próximo é devida a correntes na fonte, o campo magnético em EMR é devido apenas à mudança local no campo elétrico. De forma semelhante, enquanto o campo elétrico no campo próximo é devido diretamente às cargas e separação de cargas na fonte, o campo elétrico em EMR é devido a uma mudança no campo magnético local. Ambos os processos de produção de campos elétricos e magnéticos EMR têm uma dependência diferente da distância do que os campos elétricos e magnéticos dipolo do campo próximo. É por isso que o tipo de campo EMR se torna dominante em potência “longe” das fontes. O termo “longe das fontes” refere-se a quão longe da fonte (movendo-se à velocidade da luz) qualquer porção do campo EM que se move para fora está localizada, no momento em que as correntes da fonte são alteradas pelo potencial variável da fonte, e a fonte começou, portanto, a gerar um campo EM em movimento para fora de uma fase diferente.
Uma visão mais compacta do EMR é que o campo distante que compõe o EMR é geralmente aquela parte do campo EM que percorreu distância suficiente da fonte, que se tornou completamente desconectado de qualquer feedback às cargas e correntes que foram originalmente responsáveis por ele. Agora independente das cargas da fonte, o campo EM, ao se afastar mais, depende apenas das acelerações das cargas que o produziram. Já não tem uma forte ligação aos campos directos das cargas, nem à velocidade das cargas (correntes).
Na formulação do potencial Liénard-Wiechert dos campos eléctricos e magnéticos devido ao movimento de uma única partícula (segundo as equações de Maxwell), os termos associados à aceleração da partícula são aqueles que são responsáveis pela parte do campo que é considerada radiação electromagnética. Pelo contrário, o termo associado à mudança do campo eléctrico estático da partícula e o termo magnético que resulta da velocidade uniforme da partícula, estão ambos associados ao campo eletromagnético próximo do campo, e não compreendem a radiação EM.
PropertiesEdit
Electrodinâmica é a física da radiação electromagnética, e o electromagnetismo é o fenómeno físico associado com a teoria da electrodinâmica. Campos eléctricos e magnéticos obedecem às propriedades da sobreposição. Assim, um campo devido a qualquer partícula particular ou campo elétrico ou magnético variável no tempo contribui para os campos presentes no mesmo espaço, devido a outras causas. Além disso, como são campos vetoriais, todos os vetores de campo elétrico e magnético se somam de acordo com a adição vetorial. Por exemplo, na óptica, duas ou mais ondas de luz coerentes podem interagir e por interferência construtiva ou destrutiva produzem uma irradiação resultante que se desvia da soma das irradiações componentes das ondas de luz individuais.
Os campos eletromagnéticos de luz não são afetados por viajar através de campos elétricos ou magnéticos estáticos em um meio linear, como um vácuo. Entretanto, em meios não lineares, como alguns cristais, podem ocorrer interações entre luz e campos elétricos e magnéticos estáticos – essas interações incluem o efeito Faraday e o efeito Kerr.
Na refração, a passagem de uma onda de um meio a outro de densidade diferente altera sua velocidade e direção ao entrar no novo meio. A razão dos índices de refração do meio determina o grau de refração, e é resumida pela lei de Snell. A luz dos comprimentos de onda compostos (luz solar natural) dispersa-se num espectro visível passando através de um prisma, devido ao índice de refração dependente do comprimento de onda do material do prisma (dispersão); ou seja, cada onda componente dentro da luz composta é dobrada numa quantidade diferente.
radiação EM exibe propriedades de onda e de partícula ao mesmo tempo (ver dualidade onda-partícula). Tanto as propriedades de onda como as de partícula foram confirmadas em muitas experiências. As características das ondas são mais aparentes quando a radiação EM é medida em escalas de tempo relativamente grandes e em grandes distâncias, enquanto as características das partículas são mais evidentes quando se medem pequenas escalas de tempo e distâncias. Por exemplo, quando a radiação eletromagnética é absorvida pela matéria, as propriedades particuladas serão mais evidentes quando o número médio de fótons no cubo do comprimento de onda relevante for muito menor do que 1. Não é tão difícil observar experimentalmente a deposição não-uniforme de energia quando a luz é absorvida, porém isto por si só não é evidência de comportamento “particulado”. Pelo contrário, ela reflete a natureza quântica da matéria. Demonstrar que a própria luz é quantizada, e não apenas a sua interacção com a matéria, é um assunto mais subtil.
Algumas experiências mostram tanto a natureza das ondas como a das partículas das ondas electromagnéticas, tais como a auto-interferência de um único fotão. Quando um único fóton é enviado por um interferômetro, ele passa por ambos os caminhos, interferindo consigo mesmo, como as ondas fazem, mas é detectado por um fotomultiplicador ou outro detector sensível apenas uma vez.
A teoria quântica da interação entre radiação eletromagnética e matéria como elétrons é descrita pela teoria da eletrodinâmica quântica.
Ondas eletromagnéticas podem ser polarizadas, refletidas, refratadas, difratadas ou interferir umas com as outras.
Modelo de ondaEdit
Em meios homogéneos e isotrópicos, a radiação electromagnética é uma onda transversal, o que significa que as suas oscilações são perpendiculares à direcção de transferência e viagem da energia. As partes elétricas e magnéticas do campo estão em uma relação fixa de forças para satisfazer as duas equações de Maxwell que especificam como uma é produzida a partir da outra. Em meios sem dissipação (sem perdas), estes campos E e B também estão em fase, com ambos atingindo máximos e mínimos nos mesmos pontos no espaço (ver ilustrações). Um equívoco comum é que os campos E e B na radiação eletromagnética estão fora de fase porque uma mudança em um produz o outro, e isso produziria uma diferença de fase entre eles como funções sinusoidais (como de fato acontece na indução eletromagnética, e no campo próximo às antenas). No entanto, na radiação EM do campo distante, que é descrita pelas duas equações do operador Maxwell sem fonte, uma descrição mais correta é que uma mudança de tempo em um tipo de campo é proporcional a uma mudança de espaço no outro. Estas derivadas requerem que os campos E e B em EMR sejam em fase (ver seção de matemática abaixo).
Um aspecto importante da natureza da luz é sua freqüência. A freqüência de uma onda é sua taxa de oscilação e é medida em hertz, a unidade SI de freqüência, onde um hertz é igual a uma oscilação por segundo. A luz normalmente tem múltiplas freqüências que se somam para formar a onda resultante. Frequências diferentes sofrem ângulos diferentes de refração, um fenômeno conhecido como dispersão.
Uma onda monocromática (uma onda de uma única frequência) consiste em sucessivas calhas e cristas, e a distância entre duas calhas ou cristas adjacentes é chamada de comprimento de onda. As ondas do espectro eletromagnético variam em tamanho, desde ondas de rádio muito longas, mais longas que um continente, até raios gama muito curtos, menores que os núcleos do átomo. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda, de acordo com a equação:
v = f λ {\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }
onde v é a velocidade da onda (c no vácuo ou menos em outros meios), f é a frequência e λ é o comprimento de onda. Como as ondas atravessam fronteiras entre diferentes meios, suas velocidades mudam, mas suas freqüências permanecem constantes.
Ondas eletromagnéticas no espaço livre devem ser soluções da equação da onda eletromagnética de Maxwell. Duas classes principais de soluções são conhecidas, a saber, ondas planas e ondas esféricas. As ondas planas podem ser vistas como o caso limite das ondas esféricas a uma distância muito grande (idealmente infinita) da fonte. Ambos os tipos de ondas podem ter uma forma de onda que é uma função de tempo arbitrária (desde que seja suficientemente diferenciável para se conformar à equação da onda). Como em qualquer função de tempo, esta pode ser decomposta através da análise de Fourier no seu espectro de frequências, ou componentes sinusoidais individuais, cada um dos quais contendo uma única frequência, amplitude e fase. Diz-se que tal onda componente é monocromática. Uma onda eletromagnética monocromática pode ser caracterizada por sua freqüência ou comprimento de onda, sua amplitude de pico, sua fase relativa a alguma fase de referência, sua direção de propagação e sua polarização.
Interferência é a sobreposição de duas ou mais ondas resultando em um novo padrão de onda. Se os campos tiverem componentes na mesma direção, eles interferem construtivamente, enquanto direções opostas causam interferência destrutiva. Um exemplo de interferência causada por EMR é a interferência eletromagnética (EMI) ou como é mais comumente conhecida como interferência de radiofrequência (RFI). Além disso, múltiplos sinais de polarização podem ser combinados (ou seja, interferidos) para formar novos estados de polarização, o que é conhecido como geração de estados de polarização paralela.
A energia em ondas eletromagnéticas é às vezes chamada de energia radiante.
Modelo de partículas e teoria quânticaEditar
Uma anomalia surgiu no final do século XIX envolvendo uma contradição entre a teoria das ondas de luz e as medidas dos espectros electromagnéticos que estavam a ser emitidos pelos radiadores térmicos conhecidos como corpos negros. Os físicos lutaram com este problema sem sucesso durante muitos anos. Mais tarde ficou conhecida como a catástrofe ultravioleta. Em 1900, Max Planck desenvolveu uma nova teoria da radiação de corpo negro que explicava o espectro observado. A teoria de Planck foi baseada na ideia de que os corpos negros emitem luz (e outras radiações electromagnéticas) apenas como feixes ou pacotes discretos de energia. Estes pacotes foram chamados de quanta. Em 1905, Albert Einstein propôs que os quanta de luz fossem considerados como partículas reais. Mais tarde a partícula de luz recebeu o nome de fóton, para corresponder a outras partículas sendo descritas por volta dessa época, tais como o elétron e o próton.
onde h é a constante de Planck, λ {\hc=lambda estilo de jogo {\hc}
é o comprimento de onda e c é a velocidade da luz. Isto é às vezes conhecido como a equação de Planck-Einstein. Na teoria quântica (ver primeira quantificação) a energia dos fótons é assim diretamente proporcional à freqüência da onda EMR.
Likewise, o momento p de um fotão é também proporcional à sua frequência e inversamente proporcional ao seu comprimento de onda:
p = E c = h f c = h λ . p={E }{hf }={hf }{h }over c}={h }over lambda }.}
A fonte da proposta de Einstein de que a luz era composta de partículas (ou podia actuar como partículas em algumas circunstâncias) era uma anomalia experimental não explicada pela teoria das ondas: o efeito fotoeléctrico, em que a luz que atinge uma superfície metálica ejectou electrões da superfície, fazendo fluir uma corrente eléctrica através de uma tensão aplicada. As medições experimentais demonstraram que a energia dos elétrons individuais ejetados era proporcional à freqüência, e não à intensidade, da luz. Além disso, abaixo de uma certa frequência mínima, que dependia do metal em questão, nenhuma corrente fluía independentemente da intensidade. Estas observações pareciam contradizer a teoria das ondas, e durante anos os físicos tentaram, em vão, encontrar uma explicação. Em 1905, Einstein explicou este enigma ressuscitando a teoria das partículas de luz para explicar o efeito observado. Devido à preponderância das evidências em favor da teoria das ondas, no entanto, as idéias de Einstein foram encontradas inicialmente com grande ceticismo entre os físicos estabelecidos. Eventualmente a explicação de Einstein foi aceita como um novo comportamento de partículas de luz, como o efeito Compton.
Como um fóton é absorvido por um átomo, ele excita o átomo, elevando um elétron a um nível de energia mais alto (um que está em média mais distante do núcleo). Quando um elétron em uma molécula ou átomo excitado desce a um nível de energia mais baixo, ele emite um fóton de luz em uma freqüência correspondente à diferença de energia. Como os níveis de energia dos elétrons nos átomos são discretos, cada elemento e cada molécula emite e absorve suas próprias freqüências características. A emissão imediata de fótons é chamada fluorescência, um tipo de fotoluminescência. Um exemplo é a luz visível emitida por tintas fluorescentes, em resposta à ultravioleta (luz negra). Muitas outras emissões fluorescentes são conhecidas em bandas espectrais que não a luz visível. A emissão retardada é chamada de fosforescência.
Dualidade onda-partículaEditar
A teoria moderna que explica a natureza da luz inclui a noção de dualidade onda-partícula. Mais genericamente, a teoria afirma que tudo tem uma natureza de partícula e uma natureza de onda, e várias experiências podem ser feitas para trazer à tona uma ou outra. A natureza da partícula é mais facilmente discernida usando um objeto com uma grande massa. Uma proposta ousada de Louis de Broglie em 1924 levou a comunidade científica a perceber que a matéria (por exemplo, elétrons) também exibe dualidade onda-partícula.
Efeitos de onda e partícula da radiação eletromagnéticaEditar
Todos juntos, os efeitos de onda e partícula explicam completamente os espectros de emissão e absorção da radiação EM. A composição de matéria do meio pelo qual a luz viaja determina a natureza do espectro de absorção e emissão. Estas faixas correspondem aos níveis de energia permitidos nos átomos. As bandas escuras no espectro de absorção são devidas aos átomos de um meio interveniente entre a fonte e o observador. Os átomos absorvem certas frequências da luz entre o emissor e o detector/olhal, emitindo-as depois em todas as direcções. Uma banda escura aparece ao detector, devido à radiação espalhada para fora do feixe. Por exemplo, as bandas escuras na luz emitida por uma estrela distante são devidas aos átomos na atmosfera da estrela. Um fenômeno semelhante ocorre para a emissão, que é visto quando um gás emissor brilha devido à excitação dos átomos de qualquer mecanismo, incluindo o calor. Quando os elétrons descem para níveis de energia mais baixos, é emitido um espectro que representa os saltos entre os níveis de energia dos elétrons, mas as linhas são vistas porque novamente a emissão ocorre apenas em determinadas energias após a excitação. Um exemplo é o espectro de emissão das nebulosas. Os elétrons de movimento rápido são mais acelerados quando encontram uma região de força, portanto são responsáveis pela produção de grande parte da radiação eletromagnética de maior freqüência observada na natureza.
Estes fenômenos podem auxiliar várias determinações químicas para a composição de gases iluminados por trás (espectros de absorção) e para gases brilhantes (espectros de emissão). A espectroscopia (por exemplo) determina quais os elementos químicos que compõem uma determinada estrela. A espectroscopia também é utilizada na determinação da distância de uma estrela, usando o deslocamento vermelho.
Velocidade de propagaçãoEditar
Quando qualquer fio (ou outro objeto condutor, como uma antena) conduz corrente alternada, a radiação eletromagnética é propagada na mesma freqüência que a corrente. Em muitas dessas situações é possível identificar um momento dipolo elétrico que surge da separação de cargas devido ao potencial elétrico excitante, e esse momento dipolo oscila no tempo, à medida que as cargas se movem para frente e para trás. Esta oscilação a uma dada frequência dá origem à alteração dos campos eléctricos e magnéticos, que depois colocam a radiação electromagnética em movimento.
Ao nível quântico, a radiação electromagnética é produzida quando o pacote de ondas de uma partícula carregada oscila ou acelera de outra forma. Partículas carregadas em estado estacionário não se movem, mas uma sobreposição de tais estados pode resultar em um estado de transição que tem um momento dipolo elétrico que oscila no tempo. Esse momento dipolo oscilante é responsável pelo fenômeno de transição radiativa entre os estados quânticos de uma partícula carregada. Tais estados ocorrem (por exemplo) em átomos quando os fótons são irradiados à medida que o átomo se desloca de um estado estacionário para outro.
Como uma onda, a luz é caracterizada por uma velocidade (a velocidade da luz), comprimento de onda e freqüência. Como partículas, a luz é um fluxo de fótons. Cada uma tem uma energia relacionada com a frequência da onda dada pela relação de Planck E = hf, onde E é a energia do fotão, h é a constante de Planck, 6,626 × 10-34 J-s, e f é a frequência da onda.
Uma regra é obedecida independentemente das circunstâncias: A radiação EM em um vácuo viaja à velocidade da luz, em relação ao observador, independentemente da velocidade do observador. (Esta observação levou Einstein a desenvolver a teoria da relatividade especial). Em um meio (que não seja o vácuo), fator de velocidade ou índice de refração são considerados, dependendo da freqüência e aplicação. Ambos são razões de velocidade em um meio a velocidade em um vácuo.
Teoria da relatividade especialEditar
Até o final do século XIX, várias anomalias experimentais não podiam ser explicadas pela teoria simples das ondas. Uma dessas anomalias envolvia uma controvérsia sobre a velocidade da luz. A velocidade da luz e outras EMR previstas pelas equações de Maxwell não apareceram a menos que as equações fossem modificadas de uma forma sugerida inicialmente por FitzGerald e Lorentz (ver história da relatividade especial), ou então essa velocidade dependeria da velocidade do observador em relação ao “meio” (chamado éter luminífero) que supostamente “carregava” a onda eletromagnética (de uma forma análoga à forma como o ar transporta as ondas sonoras). As experiências não conseguiram encontrar nenhum efeito observador. Em 1905, Einstein propôs que o espaço e o tempo pareciam ser entidades mutáveis em velocidade para a propagação da luz e todos os outros processos e leis. Essas mudanças foram responsáveis pela constância da velocidade da luz e de toda radiação eletromagnética, do ponto de vista de todos os observadores – mesmo aqueles em movimento relativo.