20-06-2020

Eletromagnetismo,

ondas eletromagnéticas

e suas aplicações

Disciplina: Física

Ano de escolaridade:12ºB

Professor da Disciplina:

Júlio Mariano

Escola: Secundária de

Montemor-o-Velho

Trabalho realizado por:

Samuel Marques e Simão

Gonçalves

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Índice

Contextualização histórica e origem do eletromagnetismo ............................................................ 3

Campo elétrico, campo magnético e ondas eletromagnéticas .................................................... 4

Aplicações do eletromagnetismo e das ondas eletromagnéticas no dia-a-dia ............................ 6

Bibliografia ............................................................................................................................... 11

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Contextualização histórica e origem do eletromagnetismo:

Nesta primeira parte pretendemos explicar a origem histórica do eletromagnetismo, desde da

Grécia Antiga até à elaboração à teoria do eletromagnetismo de James Maxwell, e os

principais cientistas envolvidos ao longo do tempo.

Assim deste modo, já os habitantes da Grécia Antiga reparavam na interação atrativa que

ocorria entre a magnetite (um mineral com características magnéticas) e objetos de ferro.

Também já nessa época Tales de Mileto estudava estas forças atrativas e concluiu que se

friccionasse âmbar (que é uma resina fóssil), em lã por exemplo, ele iria atrair pequenos

corpos como penas ou palha. No primeiro caso tratava-se de uma iteração magnética enquanto

no segundo caso o âmbar fica eletrizado negativamente pois recebe eletrões da lã podendo

passar a exercer forças elétricas.

Apesar disto, só nos séculos XVII e XVIII que começaram a ser feitos grandes progressos

devido aos trabalhos de cientistas como William Gilbert (autor de uma obra acerca do

magnetismo), Otto von Guericke (que construiu um gerador eletroestático que funcionava à

base da fricção de uma esfera de enxofre) e Alessandro Volta (que construiu a primeira pilha,

,e por isso, e esse tipo de pilhas se designam pilhas voltaicas, que consiste em dois elétrodos

mergulhados numa solução eletrolítica, nos quais ocorrem reações de oxidação-redução que

geram uma corrente elétrica.)

Só em 1820 com Hans Christian Oersted é que se começaram a associar os campos elétricos

aos magnéticos, pois anteriormente eram estudados separadamente apesar das suas

semelhanças. Oersted chegou à conclusão que correntes elétricas provocam variações em

campos magnéticos ao observar que a agulha de uma bússola oscilava durante uma trovoada.

Cerca de 10 depois Michael Faraday chegou à conclusão que oscilações num campo

magnético geram correntes elétricas o que abriu a porta à produção em massa de energia

elétrica. Foi com base nesta conclusão que Maxwell, em 1865, através de expressões

matemáticas, chegou às quatro famosas equações do eletromagnetismo. A teoria de Maxwell

veio a ser confirmada por Hertz ao produzir ondas eletromagnéticas (ondas de rádio).

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Campo elétrico, campo magnético e ondas eletromagnéticas:

Nesta parte iremos abordar mais concretamente os conceitos associados ao eletromagnetismo

de forma a melhor compreender a sua importância para aplicações concretas.

Assim deste modo, um campo de forças é a região do espaço onde um corpo fica sobre a ação

de uma determinada força. Por exemplo, nestes casos, quando se coloca uma carga pontual

num campo elétrico ela fica sobre a ação de uma força elétrica. O mesmo acontece se o

campo for um campo magnético.

Para compreender os conceitos de força elétrica e força magnética é primeiro necessário

clarificar o conceito de carga. A carga elétrica de um corpo depende das suas interações com

outros corpos, pois durante essas interações à troca de eletrões. Num corpo eletricamente

neutro há um equilíbrio entre o número de cargas positivas e negativas (protões e eletrões,

respetivamente) mas se por exemplo se friccionarem dois corpos pode existir trocas de

eletrões ficando um com excesso de carga negativa- eletrizado negativamente- e outro com

défice de carga negativa- eletrizado positivamente. Deste modo num sistema isolado o

número de cargas é constante- Princípio da Conservação da Carga Elétrica. Assim conclui-se

que a Carga total de corpos é um múltiplo da carga elementar. |𝑄| = 𝑛ⅇ sendo ⅇ =

1.602 × 10−19C a carga elementar que Robert Millikan descobriu experimentalmente em

1909.

A intensidade da força elétrica fica então expressa pela Lei de Coulomb 𝐹 =𝑘|𝑄||𝑞|

𝑟2 em que Q

é a carga geradora do campo, q a carga de prova e R a distância entre as a duas cargas. Em

𝑘 =1

4𝜋𝜀 k designa uma constante que é inversamente proporcional à permitividade elétrica Ɛ

que depende do meio. A força elétrica pode ser ainda expressa em função do módulo do

campo elétrico através de 𝐹 = 𝑞𝐸 . Por outro lado, ao contrário do que acontece com a força

elétrica, para se manifestar uma força magnética sobre uma carga elétrica, mergulhada num

campo magnético é necessário que a essa carga esteja associada uma certa velocidade de

acordo com a seguinte expressão 𝐹 = |𝑞|𝑣𝐵 sin 𝛼 sendo α o ângulo entre os vetores

velocidade �⃗� e campo magnético �⃗⃗�. Quando uma partícula com carga está mergulhada num

campo elétrico e num campo magnético e animada de uma certa velocidade fica sobre a ação

de uma força de elétrica e magnética designada Força de Lorentz. Esta força é a resultante da

soma das forças elétrica e magnética �⃗� = 𝑞�⃗⃗� + 𝑞�⃗��⃗⃗�.

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Uma das aplicações mais incríveis e fascinantes, mas por outro lado mais assustadoras devido

à sua potência, da força de Lorentz é para a construção de uma RailGun -algo parecido a um

canhão elétrico. Vídeo no qual o exército americano faz um teste um projétil que atinge cerca

de 9000 km/h: https://www.youtube.com/watch?v=O2QqOvFMG_A&list=WL&index=89&t=0s

O funcionamento deste canhão está esquematizado nesta imagem onde nos trilhos (rails- em

inglês) -a amarelo- existe um campo magnético – linhas azuis- e são percorridos por uma

corrente elétrica- setas vermelhas- gerando uma força eletromagnética que irá impulsionar o

projétil. A seta branca representa o sentido do movimento do projétil.

Outra noção importante a ter é a de onda eletromagnética, as suas características e como são

produzidas. As ondas eletromagnéticas propagam-se tanto em meios materiais como no

vácuo, ao contrário das ondas mecânicas (como o som) que apenas se propagam em meios

materiais. São ainda ondas transversais pois a direção de propagação da onda é perpendicular

à a direção da oscilação.

As ondas eletromagnéticas são produzidas através de cargas elétricas a oscilar. Simulador:

https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/radio-waves/latest/radio-waves.html. Estas cargas ao

oscilar produzem campos elétricos e magnéticos variáveis que se propagam no espaço

perpendicularmente entre si e perpendicularmente à direção de propagação da onda. A

frequência da onda é a mesma frequência com que a carga oscila.

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Aplicações do eletromagnetismo e das ondas eletromagnéticas no

dia-a-dia

Uma das aplicações mais importantes do eletromagnetismo no quotidiano é a indução

eletromagnética, sendo esta a principal fonte da energia elétrica que nos chega a casa. Uma

grandeza fundamental para perceber o conceito de indução eletromagnética é o fluxo

magnético, 𝜙𝑚 = 𝐵𝐴 cos 𝜃 sendo θ o ângulo entre o campo magnético B e o vetor normal ao

plano da espira (vetor rosa).

A lei de Faraday é então expressa por 𝜀𝑖 =−𝛥𝜙𝑚

𝛥𝑡 onde o sinal menos é a referencial à lei de

Lenz que anuncia que sentido da corrente induzida é sempre oposto à variação do fluxo

magnético que lhe deu origem.

Por exemplo nas barragens o fluxo de água faz girar as pás da turbina que estão ligadas a um

eixo que faz rodar um íman que está rodeado de bobinas, dentro do gerador. Quando o íman

gira dentro das bobinas cria nelas um fluxo magnético variável que induz uma corrente

elétrica variável daí que a corrente elétrica que chega a nossas seja corrente alternada.

https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/faraday/latest/faraday.html?simulation=faraday-Simulador

de indução eletromagnética.

Outra aplicação muito comum da indução eletromagnética é no funcionamento de um

transformador. Este dispositivo serve para aumentar ou diminuir a tensão elétrica. Por

exemplo a diferença de potencial nas nossas tomadas em Portugal é de cerca 230V, mas a

tensão que as baterias de um telemóvel suportam é apenas de 5V.

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De acordo com a figura, no primário (bobina 𝑁1) passa uma corrente alternada, originária de

uma tomada, por exemplo, que gera um campo magnético variável. Este campo magnético

variável, produzido no primário induz, segundo a Lei de Faraday, uma corrente alternada no

secundário (bobina 𝑁2). Ambas as bobinas estão enroladas à volta do núcleo que

normalmente é feito de materiais ferromagnesianos. O aumento ou diminuição da tensão

nos transformadores está de acordo com a seguinte proporção: 𝑈𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜

𝑈𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜=

𝑁𝑃𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜

𝑁𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜 onde

U é a diferença de potencial e N o número de espiras na bobina.

As ondas eletromagnéticas têm um grande impacto no nosso quotidiano e nós, seguidamente,

iremos falar mais aprofundadamente de três situações onde as ondas eletromagnéticas são

fundamentais: Telecomunicações, Interações entre as radiações e matéria, e radiações e a

saúde.

É importante então falar do espetro eletromagnético pois ele tem todas as radiações visíveis e

não visíveis, que iremos mais à frente abordar.

Para além destes sete tipos de radiação podemos ainda dividir as radiações em radiações

ionizantes ou não ionizantes. A radiação ionizante que inclui a radiação gama, os raios X e a

radiação UV de maior frequência é filtrada na atmosfera pois caso não fosse seria impossível

a vida na Terra pois elas possuem energia suficiente para remover eletrões a átomos das

nossas células, por exemplo, alterando as suas funções.

O desenvolvimento das telecomunicações seria impossível sem o contributo do estudo das

ondas eletromagnéticas. As radiações eletromagnéticas que estão ligadas às telecomunicações

tem frequências compreendidas entre os 3kHz os 300GHz e são designadas radiofrequências.

Uma das aplicações das radiofrequências de menor frequência é a radionavegação que ainda é

utilizada tanto na navegação náutica com aérea apesar de estar a ser substituída pelo GPS

(sistema de posicionamento global) que usa micro-ondas de maior frequência. As frequências

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das emissões de rádio são de cerca 100 MHz enquanto a das televisões (por fibra) oscila entre

os 150 e os 500 MHz dependendo das operadoras, já as redes de telemóvel e Wi-fi usam

frequências mais elevadas 4GHz ou 5GHz, daí as suas designações de redes 4G ou 5G. As

radiofrequências de maior frequência são usadas nas telecomunicações por satélite,

principalmente ligadas à localização como radares. Como o comprimento de onda destas

ondas é já é muito pequeno elas seguem praticamente em linha reta logo é necessário o

recurso a satélites. A sua grande vantagem é que transportam grandes quantidades de

informação ao mesmo tempo.

Uma das propriedades das ondas eletromagnéticas é a sua reflexão total e que está associada,

por exemplo ao funcionamento da fibra ótica, que é um dos meios mais rápidos de transporte

de informação daí a sua utilização nas telecomunicações. Na figura abaixo está

esquematizado o funcionamento da fibra ótica onde o feixe viaja pelo núcleo, material

isolante de elevado ince de refração, através de várias reflexões totais.

O núcleo esta revestido da casca que tem um índice de refração menor para que possa ocorrer

reflexão total no núcleo.

O conceito de fotão é importante para perceber as interações entre as diferentes radiações e

matéria pois a maior parte dessas interações são explicadas pelo comportamento corpuscular

da radiação.

Apesar de Maxwell ter provado teoricamente que a luz era uma onda, e de Hertz o ter provado

experimentalmente, no início do seculo XIX Einstein propôs, com base em trabalhos de

Plack, um comportamento dual para a luz/radiação, ou seja a luz tem um comportamento

ondulatório e um comportamento corpuscular que é evidente por exemplo no efeito

fotoelétrico com o qual Einstein ganhou o prémio Nobel da Física em 1921. Einstein propôs

então que a radiciação era composta por fotões, quantidades de energia muito especificas-

energia quantizada- sendo a sua energia dada por 𝐸 = ℎ𝑓, sendo ℎ = 6,626 × 10−34𝐽 ⋅ 𝑠 a

constante de Plack.

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As radiações de menor frequência e, consequentemente menor energia, como as micro-ondas,

infravermelho e visível não tem energia para ionizar átomos, logo a sua energia apenas é

capaz de aumentar a agitação corpuscular aumentando a temperatura. Por exemplo a radiação

UV é opaca para os vidros dos para-brisas, mas radiação visível e infravermelha não, e é por

esta razão que os carros deixados ao sol aquecem, pois, a radiação visível e infravermelha

provocam um aumento na agitação corpuscular que resulta num aumento na temperatura.

A radiação visível é ainda capaz de provocar excitação eletrónica, ou seja, consegue provocar

o “salto” de eletrões para níveis de energia mais altos. A excitação eletrónica é visível aqui

através de um teste de chama: https://www.youtube.com/watch?v=gI3TbQc0Uwg. Esta excitação

eletrónica é explicada a partir do modelo de Bohr; quando se fornece energia a um átomo os

seu eletrões absorvem essa energia, que é muito específica (quantizada), e sobem de nível de

energia a descerem de volta libertam energia e é a essa diferença de energia que está

associada uma determinada cor dependente do comprimento de onda dessa diferença.

Os fotões da radiação ionizante como os raios-X e os raios gama, têm como o nome indica

energia para remover para remover eletrões a átomos e a moléculas, ocorrendo a

fotoionização, fenómeno que é muito frequente na termosfera (camada mais alta da

atmosfera).

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Se for uma radiação muito energética ela pode criar um par eletrão-positrão que está na base

dos exames PET (tomografia por emissão de positrões).

Durante este exame é usado um radionuclídeo, um isótopo radioativo que emite positrões

(partícula da antimatéria do eletrão), por exemplo o flúor-18 que identifica a

flurodesoxiglicose que mede o nível de consumo da glicose que serve para encontrar cancros,

tecidos danificados ou mortos (seta branca na imagem da direita).

Quando um positrão e um eletrão se aniquilam à libertação de fotões correspondentes à

radiação-gama e esses fotões são detetados por uma camara que converte a informação num

sinal elétrico e produz uma imagem tal como acontece que a TAC (Tomografia axial

computorizada). Nas TAC o paciente vai deitado através de um círculo que emite raios-X para

o corpo. Esses raios-X são detetados por sensores que iram construi a imagem pretendida.

Comparando estes dois exames conclui-se que a PET é um exame menos invasivo pois apesar

de estar associados compostos radioativos eles estão presentes em uma concentração muito

pequena, enquanto nas TAC o paciente é diretamente exposto a radiação ionizante, que pode

provocar danos ao nível das células dependente da fisiologia, da idade e do tempo de

exposição do paciente.

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Outro exame não invasivo é a ressonância magnética. Este exame é baseado em campos

magnéticos. O paciente é colocado dentro de um íman gigante capaz de criar campos

magnéticos fortes que iram orientar os protões do corpo de acordo com o campo magnético.

Ao moverem-se os protões libertam energia que é detetada por sensores que constroem uma

imagem. Este processo é um pouco demorado por isso por vezes é amnistiado Gadolínio que é

um elemento que irá acelerar o processo e aumentar o contraste.

Vídeo:

https://www.youtube.com/watch?v=l_16Rw9rGxQ&feature=youtu.be&fbclid=IwAR2jlfBxtN4WhDG6

YFPk2zFNwaOVVkX9-jWaDr1iK5wbsuE34MabWu3zhhw

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Bibliografia

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