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Entre as mais notáveis descobertas científicas do século XIX, está a de que a luz é constituída por ondas eletromagnéticas. Essas ondas só foram devidamente analisadas após as hipóteses de Maxwell sobre os campos magnéticos e elétricos. As ondas eletromagnéticas são amplamente utilizadas nos mais diversos equipamentos, como transmissões de rádio e TV, aparelhos médicos, radares e transmissão de dados e imagens por satélite.
17.1 Considerações iniciais
As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que se propagam no vácuo e em certos meios materiais. A produção e detecção dessas ondas confirmaram as hipóteses de Maxwell a respeito dos campos elétricos e magnéticos.
17.2 Espectro eletromagnético
As ondas eletromagnéticas são classificadas de acordo com sua frequência, compondo o espectro eletromagnético.
17.3 Transmissão e recepção de ondas de rádio
Os transmissores e receptores de rádio geram, por meio de um circuito oscilante, uma corrente portadora que pode ser modulada em amplitude (AM) ou em frequência (FM).
Capítulo
UNIDADE D Introdução à Física Moderna
Ondas eletromagnéticas17
Entre as mais notáveis descobertas científicas do século XIX, está a de que a luz é constituída por ondas eletromagnéticas. Essas ondas só foram devidamente analisadas após as hipóteses de Maxwell sobre os campos magnéticos e elétricos. As ondas eletromagnéticas são amplamente utilizadas nos mais diversos equipamentos, como transmissões de rádio e TV, aparelhos médicos, radares e transmissão de dados e imagens por satélite.
Considerações iniciais
As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que se propagam no vácuo e em certos meios materiais. A produção e detecção dessas ondas confirmaram as hipóteses de Maxwell a respeito dos campos elétricos e magnéticos.
Espectro eletromagnético
As ondas eletromagnéticas são classificadas de acordo com sua frequência, compondo o espectro
Transmissão e recepção de ondas de rádio
Os transmissores e receptores de rádio geram, por meio de um circuito oscilante, uma corrente portadora que pode ser modulada em amplitude (AM) ou em
17Inoculados no paciente, radioisótopos ligados a moléculas com afinidade bioquímica por determinados tecidos e órgãos se acumulam nessas partes do corpo. Sua radioatividade é rastreada por equipamentos que geram imagens chamadas cintilografias.
A Medicina Nucleare a RadioterapiaSão áreas da medicina que utilizam a radiação.
A Medicina Nuclear visa o diagnóstico por imagem
e a Radioterapia, a destruição de células tumorais.
Mapeando
Um composto de carbono-11 (11C) e moléculas que imitam a endorfina liga-se a receptores opiáceos, tecidos neurais que regulam a dor. Mapeando a maior (vermelho)e a menor (azul) radioatividade, a tomografia indica onde estão os receptores opiáceos.
Diagnosticando e tratando
O iodo-131 (131I) é usado em radiofármacos capazes de apontar o mal funcionamento da tireoide, no tratamento do hipertireoidismo e do câncerna região.
Verificando os pulmões
Radiofármacos inaláveis mapeiam a ventilação pulmonar e, os injetáveis, diagnosticam embolias, coágulos que obstruem a circulaçãona região.
Rins no alvo
Em um composto que se liga aos túbulos renais, a radiação do tecnécio-99m (99mTc) revelaa estrutura e função dos rins.
Combatendo o câncer
O cobalto 60 (60Co) é utilizado no tratamento de diversos tipos de câncer. As células cancerígenas são destruídas pelo feixe de radiação. O inconveniente é que acaba atacando também as células das mucosas, como boca e intestinos.
Diagnosticando tumores
A imagem obtida com uma câmara sensível à radiação gama mostra a distribuiçãoda radiação do índio-111 (111In), ligado a moléculascom afinidade pelos tecidos do baço.
Observando a circulação
Veias e artérias injetadas com um contraste que bloqueia o raio X aparecem na arteriografia, exame usado na busca por obstruções, aneurismas e outros problemas circulatórios.
Versatilidade
O tecnécio 99m (99mTc) é tido como o radioisótopo ideal para diagnósticos. Sua radiação gama, de natureza eletromagnética, atravessa tecidos com facilidade e baixa energia, e sua meia-vida – tempo ao quala quantidade de átomos radioativos da amostra é reduzida à metade – é de 6 horas, tempo suficiente para os examesmas não para ameaçar a saúde.
No osso
Um tecido crescendo de forma anormal pode ser um tumor. O metileno-difosfonato é um composto orgânico com afinidade por ossos em crescimento que, ligado ao tecnécio 99m (99mTc), pode indicar cânceres ósseos.
Para pensar
1. Qual é a meia-vida do tecné-cio-99m?
2. Considere uma amostra de tecnécio-99m. Após 24 h, qual porcentagem resta da radiação inicial emitida por esse radioisótopo?
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Objetivos Conhecer as hipóteses
de Maxwell no que diz respeito à relação entre
os campos elétricos e magnéticos variáveis.
Caracterizar as ondas eletromagnéticas.
Termos e conceitos
• indução recíproca de campos elétricos
e magnéticos• velocidade de
propagação de uma onda eletromagnética
no vácuo
Seção 17.1
1 Hipóteses de Maxwell
Os trabalhos científicos de Coulomb, Ampère, Faraday e outros estabeleceram os princípios da Eletricidade e do Magnetismo. Na década de 1860, o físico escocês Maxwell (veja quadro na página seguinte) desenvolveu uma teoria ma te má ti ca na qual generalizou esses princípios.
Considerando que na indução eletromagnética um campo magnético variável induz uma for ça eletromotriz, o que é característico de um campo elétrico, Maxwell apresentou as se guin tes hipóteses:
1a) Um campo magnético variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo elétrico.
2a) Um campo elétrico variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo magnético.
Com essas hipóteses, Maxwell generalizou, matematicamente, os princípios do Eletromagnetismo. A teo ria proposta por Maxwell previu a existência de um novo tipo de onda, as ondas eletromagnéticas. A produção e a detecção de ondas eletromagnéticas foram a confirmação definitiva da validade da teoria de Maxwell. As ondas eletromagnéticas surgem como consequência de dois efei tos: um campo magnético variá vel produz um campo elétrico, e um campo elétrico variável pro duz um campo magnético. Esses dois campos em constantes e recíprocas induções pro pa gam-se pelo espaço.
2 Características das ondas eletromagnéticas
No estudo das ondas, verificou-se que elas ocorrem quando uma perturbação originada em uma região pode ser reproduzida nas regiões adjacentes em um instante posterior, e se caracterizam por transportar energia sem o transporte de matéria.
De acordo com Maxwell, se em um ponto P (fig. 1) produzirmos um campo elétrico variável E, este induzirá um campo magnético B que irá variar com o tempo e com a distância ao ponto P.
Além disso, o vetor B variável induzirá um vetor E, que também variará com o tempo e com a dis tância ao campo magnético variável. Essa indução recíproca de campos magnéticos e elé tri cos, variáveis com o tempo e com a distância, torna possível a propagação dessa sequência de in duções através do espaço.
E
P
B
v
Figura 1. As ondas eletromagnéticas correspondem à propagação no espaço de campos elétricos e magnéticos variáveis, gerados por cargas elétricas oscilantes.
Considerações iniciais
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James Clerk Maxwell
Nascido em Edimburgo (Escócia), James Clerk Maxwell (1831-1879) é consi-derado o maior gênio da Física do séc. XIX. Esse reconhecimento deve-se, em grande parte, ao seu “Tratado de Eletricidade e Magnetismo”, obra em que unificou as contribuições de Ampère, de Gauss e de Faraday em uma única teoria: o Eletromagnetismo.
O tratado de Maxwell é, ainda hoje, tido como a mais importante contri-buição à física desde a publicação, no séc. XVII, dos “Princípios Matemáticos da Filosofia Natural”, de Isaac Newton, pois, além de unificar os conhecimentos acerca da Eletricidade e do Magnetismo, marcou uma mudança na concepção mecânica da realidade vigente até então ao afirmar que a energia associada apenas a corpos materiais também deveria ser associada aos campos elétrico e magnético. Resumindo as leis do Eletromagnetismo em apenas quatro equa-ções, Maxwell foi capaz de prever a existência das ondas eletromagnéticas. Isso permitiu reconhecer a natureza eletromagnética da luz, demonstrando que a obra de Maxwell unificou, além da Eletricidade e do Magnetismo, a Óptica.
Maxwell foi também responsável por estabelecer relações fundamentais da Termodinâmica. Foi o fundador da Teoria Cinética dos Gases, além de ter contribuído nos campos da Astronomia e da Matemática. Atribui-se a ele, como resultado de seus estudos sobre as cores, a produção da primeira fotografia colorida.
Portanto, uma perturbação elétrica no ponto P, devida à oscilação de cargas elétricas, por exem plo, se propaga a pontos distantes mediante a mútua formação de campos elétricos e mag-né ticos variáveis. Maxwell estabeleceu equações para a propagação dessa perturbação, mos-tran do que ela apresentava todas as características de uma onda: reflexão, refração, di fra ção e interferência. Por isso denominou essa propagação ondas ou radiações eletromagnéticas.
Mais tarde, verificou-se que as ondas eletromagnéticas poderiam ser polarizadas e que, por tan to, são ondas transversais.
Maxwell demonstrou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética no vácuo é:
em que 0 e j0 são, respectivamente, a permitividade elétrica e a permeabilidade magnética do vácuo.
Em unidades do Sistema Internacional:
0 5 1 ___________
4s 3 9 3 109 e j0 5 4s 3 1027, que, substituídos na fórmula anterior, resulta:
c 5 3 3 108 m/s
igual ao valor da velocidade da luz no vácuo. Maxwell supôs que esse resultado não seria simples coin cidência e que a luz deveria ser uma onda eletromagnética, o que mais tarde foi plenamente con firmado.
c 5 dllllll
1 _______ 0 3 j0
Nos endereços eletrônicos http://www.cepa.if.usp.br/walterfendt/phbr/emwave_br.htm ehttp://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/emWave/emWave-port.html (acesso em agosto/2009), você pode, por meio de animações, visualizar a propagação de uma onda eletromagnética.
Entre na redeEntre na rede
Retrato de James Clerk Maxwell.
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Objetivos Relacionar a velocidade
de propagação de uma onda eletromagnética
com seu comprimento deonda e sua frequência.
Conhecer os diversos tipos de ondas
eletromagnéticas e suas aplicações.
Termos e conceitos
• ondas de radiofrequência
• micro-ondas• luz visível
• radiação infravermelha• radiação ultravioleta
• raios X• radiação D
Seção 17.2
No endereço eletrônico http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/espectro/espectro.htm (acesso em agosto/2009), você pode identificar o tipo de onda eletromagnética de acordo com seu comprimento de onda.
Entre na redeEntre na rede
Espectro eletromagnético
Sabemos que existe uma variação ampla e contínua nos compri-mentos de onda e fre quên cias das ondas eletromagnéticas. A relação entre a velocidade c de propagação de uma onda eletromagnética no vácuo, o comprimento de onda H e a frequência f correspondentes é dada por:
c 5 Hf
Na figura 2, temos um resumo dos diversos tipos de ondas eletromag-néticas, cha ma do espectro eletromagnético; as frequências estão em hertz e os comprimentos de onda, em me tros.
Analisando esse quadro, observamos que luz, ondas de rádio, raios X etc. são nomes dados a certas faixas de frequência e comprimento de onda do espectro eletromagnético. Cada nome caracteriza uma faixa, na qual as ondas são emitidas e recebidas de um modo determinado. A luz, de comprimento de onda em torno de 106 m, pode ser perce-bida por seu efei to sobre a retina, provocando a sensação da visão; mas, para detectar, por exemplo, ondas de rádio, cujo com primento de onda varia em torno de 105 m a 101 m, precisamos de equipamentos eletrônicos.
Figura 2. Espectro eletromagnético.
10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022
107 106 105 104 103 102 10 1 10−1 10−2 10−3 10−4 10−5 10−6 10−7 10−8 10−9 10−10 10−11 10−12 10−13
f (Hz)
λ (m)
Infravermelho Ultravioleta Raios γ
Luz Raios XMicro-ondas
AM FM TV
Ondas de rádio
Radar
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1 As ondas de radiofrequência (RF)
As ondas utilizadas para a transmissão de sinais de rádio e televisão costumam ser chamadas ondas de radiofrequência (RF).
As ondas RF com frequência entre 104 e 107 Hz (ondas curtas de rádio) são muito bem refletidas pelas camadas ionizadas da atmosfera superior (ionosfera). Por isso, podem ser captadas a grandes distâncias da emissora, como mostra a figura 3. Até meados do século XX, a transmissão com ondas curtas foi de grande utilidade, pois possibilitava a comunicação rápida entre países muito afastados, como, por exemplo, Brasil e Inglaterra. Com o avanço da tecnologia essa importância diminuiu, pois novos meios de comunicação surgiram. No entanto, a utilização das ondas curtas de rádio ainda se mantém em algumas situações específicas, como na rede de radioamadores.
Figura 3. As ondas de rádio, devido a reflexões na ionosfera, podem ser transmitidas a grandes distâncias.
Outra característica das ondas de rádio, que as faz extremamente úteis na transmissão de informações, é o fato de apresentarem comprimentos de onda de dezenas a milhares de metros. Assim, elas podem se difratar com facilidade ao redor de obstáculos de dimensões da mesma ordem de grandeza, como árvores, edifícios e mesmo pequenas elevações. Entretanto, as grandes montanhas podem constituir obstáculos intransponíveis. Daí a importância de estações repetidoras, que recebem os sinais e os reenviam para pontos que normalmente seriam inacessíveis.
As ondas RF para a transmissão de sinais de televisão têm frequências em torno de 108 Hz e comprimento de onda de cerca de 1 metro. Essas ondas não são refletidas pela ionosfera. Então, para serem captadas a distâncias superiores a 75 km, são necessárias estações repetidoras entre a emissora e os locais de recepção. Entretanto, se as distâncias forem muito grandes, como na transmissão de um continente a outro, utilizam-se satélites artificiais (fig. 4).
Figura 4. As ondas de TV podem ser transmitidas de um continente a outro mediante satélites artificiais.
Terra
SatéliteIonosfera
Terra
Ionosfera
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Pulsoemitido
Pulsorefletido
Figura 5. Esquema de funcionamento do radar.
A história de outra aplicação importante está ligada ao desenvolvimento do radar. Nos primeiros anos de sua aplicação, durante a Segunda Guerra Mundial (década de 1940), os operadores de radar notaram que alimentos colocados nas proximidades do magnétron ficavam cozidos. Cientistas, analisando a ocorrência, tiveram a ideia de utilizar essa propriedade em atividades culinárias e lançaram, no início da década de 1950, o “forno radar”, que daria origem ao forno de micro-ondas, cujo princípio de funcionamento é o seguinte: um magnétron emite micro-ondas na faixa de 2.450 MHz, que coincide com a frequência própria de vibração das moléculas de água. Essas então entram em ressonância com a radiação e vibram, causando o aquecimento do alimento.
A telefonia celular é atualmente a mais importante aplicação das micro-ondas, utilizando ondas na faixa de 850 MHz a 2.200 MHz.
2 As micro-ondas
As denominadas micro-ondas são ondas eletromagnéticas com frequência entre 109 e 1011 Hz, aproximadamente, e comprimentos de onda entre 1 m e 1 mm. Existem inúmeras aplicações dessas ondas, entre as quais se destacam os telefones celulares, o forno de micro-ondas e o radar. Entretanto, as faixas de micro-ondas são específicas para cada uma dessas aplicações.
As micro-ondas na faixa de 300 MHz a 300 GHz, denominadas ondas de radar, são utilizadas na detecção de aviões, navios e outros veículos.
O radar é constituído basicamente de uma válvula emissora de micro-ondas (o magnétron) e um receptor. Ambos estão no foco de uma superfície parabólica. O magnétron emite um pulso de micro-ondas que é refletido pela superfície e, em seguida, pela aeronave. O receptor capta a onda refletida pelo avião e pela superfície parabólica (fig. 5). A medida do intervalo de tempo entre a emissão do pulso e sua recepção possibilita a localização da aeronave.
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3 Luz visível, infravermelho e ultravioleta
A retina do olho humano é sensível à radiação eletromagnética de uma pequena faixa de comprimento de onda, em torno de 106 m. O maior comprimento de onda da luz visível (aproximadamente 7,5 3 107 m) dá a sen sação de vermelho. À medida que o comprimento de onda diminui, a sensação de cor muda para alaranjado, amarelo, verde, azul, anil até atingir o violeta, que tem o menor comprimento de onda (aproximadamente 4,0 3 107 m). A esses comprimentos de onda correspondem aproximadamente as frequências 4,0 3 1014 Hz (luz vermelha) e 7,5 3 1014 Hz (luz violeta).
4,0 • 10–7
λ (m)
Infravermelho
VermelhoAlaranjadoAmareloVerdeAzulAnilVioletaUltravioleta
f (Hz)
7,5 • 10–7
7,5 • 1014
4,0 • 1014
FPS 5 tempo de exposição mínima para a produção de vermelhidão na pele protegida
________________________________________________________________________________ tempo de exposição mínima para a produção de vermelhidão na pele desprotegida
Utilizando corretamente um protetor solar de FPS igual a 20, uma pessoa poderá se expor ao Sol por um tempo 20 vezes maior do que aquele durante o qual poderia ficar sem a devida proteção.
OS BICHOS
Sob claridade normal, a sensibilidade visual do olho humano é máxima para a radiação amareloesverdeada, cujo comprimento de onda é da ordem de 5,6 3 107 m, correspondendo à frequência de 5,4 3 1014 Hz, aproximadamente.
A radiação infravermelha tem comprimento de onda intermediário entre o da micro-onda e o da luz ver me lha, e é assim denominada por ter frequência menor que a da luz vermelha. A radiação infravermelha constitui o chamado calor radiante.
A radiação ultravioleta tem comprimento de onda menor e frequência maior que os da luz violeta, daí seu nome. O Sol emite grande quantidade de radiação ultravioleta.
De acordo com o comprimento de onda, a radiação ultravioleta é dividida em três faixas:
• ultravioleta longo (UV-A), de comprimento de onda variando entre 4 3 107 m e 3 3 107 m, que é a menos energética e está associada ao bronzeamento, pois estimula a produção de um pigmento chamado melanina, responsável pelo escurecimento da pele;
• ultravioleta médio (UV-B), de comprimento de onda variando entre 3 3 107 m e 2 3 107 m, é mais energética que a anterior, sendo a que provoca a vermelhidão da pele;
• ultravioleta curto (UV-C), de comprimento de onda variando entre 2 3 107 m e 4 3 109 m, é altamente energética, sendo em grande parte absorvida, na atmosfera superior, pela camada de ozônio que envolve a Terra.
Para absorver a radiação ultravioleta que incide em nosso corpo durante os banhos de Sol existe o filtro ou protetor solar. O fator de proteção solar (FPS) é dado pela seguinte relação:
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Figura 6. Esquema simplificado de uma ampola de raios X.
Alta ddp +–
F
Elétrons––
Ânodo
Raios X
G
Quando os raios X passam através de matéria sólida, líquida ou gasosa, ionizam átomos e moléculas. Na figura 7, temos um eletroscópio eletrizado positivamente próximo a uma ampola de raios X. Quando a ampola é ligada, o eletroscópio se descarrega através do ar ambiente. Os raios X ionizam o ar, retirando elétrons de muitas moléculas de oxigênio e nitrogênio. Esses elétrons irão neutralizar as cargas positivas do eletroscópio, o que é constatado pelo fechamento de suas folhas.
Figura 7. Os raios X provocam a descarga do eletroscópio, cujas folhas então se fecham.
+++++++
+
+ ++ +
+
4 Raios X e raios D
Raios X
Em 1895, Wilhelm Röntgen* descobriu que, quando um feixe de elétrons em movimento muito rápido atinge um alvo metálico, uma radiação é emitida. Essa radiação é constatada por meio de inúmeros efeitos, como sensibilizar chapas fotográficas e atravessar corpos opacos à luz.
Por desconhecer sua natureza, Röntgen denominou essas radiações de raios X. Atualmente sabemos que os raios X são ondas eletromagnéticas com frequências ainda maiores do que as da radiação ultravioleta.
Na figura 6, temos uma ampola de raios X, isto é, um tubo de vidro, onde foi provocado alto vácuo, contendo um filamento F e um alvo metálico chamado ânodo. O filamento F, ligado ao gerador G, é aquecido pela passagem de corrente elétrica, liberando elétrons (efeito termoiônico). Os elétrons que saem de F são acelerados pela alta ddp no sentido do ânodo, aí chegando com velocidade muito elevada. Ao incidirem no ânodo, são desacelerados, seguindo-se a emissão de ondas eletromagnéticas (raios X) de frequência muito alta. O ânodo é feito de um metal com elevado ponto de fusão, geralmente tungs tênio, porque grande parte da energia cinética dos elétrons incidentes se converte em calor.
Os comprimentos de onda dos raios X vão de aproximadamente 108 m até 1011 m.
*RÖNTGEN,WilhelmConrad(1845-1923),físicoalemão,foioprimeirocientistaareceberoprêmioNobelnaáreadeFísica,em1901.
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Quanto menor o comprimento de onda dos raios X, maior é o seu poder de penetração (em lin guagem técnica diz-se que, nesse caso, são mais duros). O poder de penetração dos raios X depende também do material penetrado. Os raios X são bastante absorvidos pelos ossos hu-ma nos, que contêm cálcio (material de alta densidade), e atravessam especialmente tecidos moles, como a pele humana (fig. 8).
Os raios X devem ser utilizados com grande cautela. Os operadores de aparelhos de raios X geralmente se protegem com aventais de chumbo, metal cuja alta densidade retém eventuais radiações que possam atingi-los, além de um crachá que avalia o grau de exposição à radiação em dado intervalo de tempo. Algumas espécies de células doentes são destruídas mais facilmente por raios X do que células sadias. Portanto, feixes de raios X cuidadosamente controlados podem ser usados no tratamento de algumas doenças, como, por exemplo, o câncer.
As radiografias são pouco eficientes na visualização de determinadas estruturas quando há superposição de órgãos. É por meio da tomografia computadorizada que se pode obter uma imagem melhor de qualquer parte do corpo. Nos tomógrafos, o paciente é deitado sobre uma mesa de exame, que desliza lentamente no meio de um anel. Uma fonte de raios X, acoplada ao anel, gira ao redor do paciente. A radiação emitida é captada por inúmeros detetores, que avaliam a taxa de absorção do feixe em função da espessura e do tipo dos diversos tecidos do órgão em estudo (fig. 9). Desse modo, são produzidas diversas radiografias transversais, de uma série de seções fatiadas da região do corpo a ser examinada. Esses dados, envia dos a um computador, são processados, e as imagens são visualizadas no monitor.
Figura 9. O tomógrafo. Paciente submetido a exame de tomografia.
Raios DExistem ondas eletromagnéticas com frequências ainda mais altas do que as dos raios X.
São os chamados raios D. A radiação D é emitida pelos núcleos instáveis dos elementos ra-dioati vos, que se desintegram natural ou artificialmente.
Uma importante aplicação dos raios D é o mapeamento por radioisótopos, substâncias radioativas como, por exemplo, o iodo-131 e o tecnécio-99m (m 5 metaestável). Quando administrados aos pacien tes, essas substâncias se concentram de maneiras diferentes nos diversos órgãos do corpo, como no caso do iodo na glândula tireoide. Os raios D emitidos são detectados por uma câmara especial que gera, em tela de vídeo, uma imagem do órgão em estudo.
Figura 8. Na Medicina, os raios X são utilizados na obtenção de radiografias.
1
Fonte de raios X
Múltiplos detetores
Computador
Movimento da aparelhagem
Paciente sob exame
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Objetivo Compreender como
ocorrem os processos de transmissão
e recepção de ondas de rádio.
Termos e conceitos
• amplitude modulada• frequência modulada
Seção 17.3 Transmissão e recepção de ondas de rádio
Um microfone transforma ondas sonoras em sinais elétricos (cor-rente alternada, por exemplo) de baixa frequência (audiofrequência — AF). A frequência dessa corrente elétrica é a mesma frequência com que a membrana do microfone vibra, isto é, entre 20 Hz e 20.000 Hz. Além da potência do transmissor, um dos fatores que influi no alcance de uma estação é a frequência de transmissão da emissora. Essa é obtida utilizando-se um circuito elétrico chamado circuito oscilante, formado essencialmente de uma bobina e um capacitor. O circuito oscilante de cada estação de rádio gera uma corrente alternada de alta frequência (radiofrequência — RF), chamada corrente portadora. Essa corrente, quando misturada com a corrente alternada de baixa frequência que re-presenta o som captado pelo microfone, pode sofrer modificação em sua amplitude, de acordo com as tonalidades da voz ou da música transmitida. Tal procedimento recebe o nome de modulação de amplitude. Temos, as-sim, uma amplitude modulada (AM) (fig. 10). Pode-se, também, manter constante a amplitude da corrente portadora e modular a frequência, de acordo com o sinal que se quer transmitir. Nesse caso, temos a chamada frequência modulada (FM) (fig. 11).
Figura 10. Amplitude modulada.
Corrente elétrica de alta frequência (frequência portadora)gerada pelo circuito oscilante
i
0 t
Corrente elétrica de baixa frequência,que representa o som captado pelo microfone
i
0 t
Corrente elétrica portadora moduladaem amplitude
i
0 t
Figura 11. Frequência modulada.
Corrente elétrica de alta frequência (frequência portadora)gerada pelo circuito oscilante
i
0 t
Corrente elétrica de baixa frequência,que representa o som captado pelo microfone
i
0 t
Corrente elétrica portadora moduladaem frequência
i
0 t
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EMISSÃO
Antenaemissora
Emite ondaseletromagnéticas
Amplifica acorrente modulada,aumentando suapotência
AmplificadorMisturadorAmplificadorde AF
Aumenta aamplitude,não alterandoa frequência
Microfone
Transforma osom em correntealternada debaixa frequência(audiofrequência – AF)
Amplificadorde RF
Oscilador
Aumenta a amplitude, nãoalterando a frequência
Gera corrente alternada de alta frequência(radiofrequência – RF)RECEPÇÃO
Antenareceptora
Amplificaa correntemodulada
Recebe ondaseletromagnéticase reconstitui a corrente elétricade alta frequênciamodulada
Amplificadorde RF
Separa a correnteportadora dacorrente alter-nada de baixafrequência, querepresenta o somcaptado pelo microfone
Detector Amplificadorde AF
Amplifica acorrente alter-nada de baixafrequênciaque irá para oalto-falante
Alto-falanteReconverte ossinais elétricosem sons, repro-duzindo os sonscaptados pelomicrofone
Modifica aamplitude dacorrente portadora(corrente modulada)
Na estação transmissora uma antena é conectada ao circuito oscilante (fig. 12).
A variação do fluxo magnético na bobina do circuito oscilante induz na antena uma corrente alternada de frequência igual à do circuito oscilante. As cargas elétricas que oscilam na antena geram ondas eletromagnéticas, de frequência bem definida, que se propagam no espaço.
O aparelho receptor possui um circuito oscilante e uma antena análogos ao da estação. Quando as ondas eletromagnéticas chegam à antena do receptor, seus elétrons livres passam a oscilar e induzem
Figura 12.
Bobina
Circuito oscilante
CapacitorBobina
Antena
Figura 13.
uma corrente alternada no circuito oscilante do receptor. Por meio de um processo chamado detecção é feita a separação entre a corrente portadora e a corrente alternada de baixa frequência, que representa o som inicialmente captado pelo microfone. Esta última é fornecida a um alto-falante, que reconverte os sinais elétricos em sons.
Para sintonizarmos uma estação, variamos a capacitância do capacitor do circuito oscilante do receptor, de modo que sua frequência coincida com a da estação.
Na figura 13, representamos esquematicamente as etapas de emissão e recepção de ondas de rádio, moduladas em amplitude.
Conteúdo digital Moderna PLUS http://www.modernaplus.com.brAnimação: Indução eletromagnética – Rádio
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Marconi com seu primeiro radiotransmissor transatlântico.
Em 12 de outubro de 1931, por ocasião da inauguração da estátua do Cristo Redentor (hoje considerada uma das sete maravilhas do mundo moderno), no Morro do Corcovado, no Rio de Janeiro, foi Marconi quem acendeu as luzes que iluminaram a imagem diretamente de Roma, na Europa, utilizando ondas de rádio. O mesmo gesto foi repetido pelo papa João Paulo II em 1981, nas comemorações do cinquentenário do monumento.
É importante, porém, assinalar que o padre brasileiro Roberto Landell de Moura (1861-1928), independentemente e na mesma época que Marconi, realizou estudos pioneiros e construiu aparelhos que utilizavam as ondas de rádio para a comunicação. No dia 3 de junho de 1900, Landell realizou uma demonstração pública de telegrafia e telefonia sem fios, com aparelhos por ele desenvolvidos, cobrindo uma distância de 8 km entre o alto da avenida Paulista e o bairro de Santana, em São Paulo, constituindo-se (embora não oficialmente) na primeira transmissão da palavra a distância, sem o auxílio de fios.
A invenção do rádio
A utilização das ondas de rádio para a transmissão de informações a distância deve-se ao cientista italiano Guglielmo Marconi (1874-1937), prêmio Nobel de Física de 1909, considerado o inventor do rádio. No entanto, ele não fez nenhuma descoberta notável sobre as radiações. Apenas verificou a possibilidade de as ondas de determinada faixa de frequência poderem ser utilizadas na comunicação a distância. Uma de suas experiências marcantes foi a realizada em 1901, quando conseguiu a primeira transmissão intercontinental: um sinal de rádio enviado a partir da Cornualha (sul da Inglaterra) foi recebido na Terra Nova, no Canadá.
Padre Landell.
tEstEs propostos
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T. 414 (UFSCar-SP) A diferença entre ondas mecânicas, como o som, e eletromagnéticas, como a luz, con-siste no fato de que:a) a velocidade de propagação, calculada pelo pro-
duto do comprimento de onda pela frequência, só é assim obtida para ondas eletromagnéticas.
b) as ondas eletromagnéticas podem assumir uma configuração mista de propagação transversal e longitudinal.
c) apenas as ondas eletromagnéticas, em especial a luz, sofrem o fenômeno denominado difração.
d) somente as ondas eletromagnéticas podem propagar-se em meios materiais ou não mate-riais.
e) a interferência é um fenômeno que ocorre ape-nas com as ondas eletromagnéticas.
T. 415 (UFPR) Com relação a ondas eletromagnéticas, é correto afirmar:(01) Ondas eletromagnéticas podem ser geradas
por um circuito elétrico no qual a corrente elétrica varia com o tempo.
(02) A reflexão e a refração só ocorrem com ondas eletromagnéticas para frequências correspon-dentes à luz visível.
(04) Os campos elétrico e magnético da luz oscilam perpendicularmente à direção de propagação.
(08) Interferência e difração são fenômenos que ocorrem exclusivamente com as ondas ele-tromagnéticas.
(16) O comprimento de onda da luz vermelha na água é maior que o correspondente compri-mento de onda no vácuo.
(32) A formação de arco-íris pode ser explicada pela dispersão da luz solar em gotas de água na atmosfera.
Dê como resposta a soma dos números que prece-dem as afirmações corretas.
T. 416 (Uepa) Os fornos de micro-ondas funcionam com base em um magnétron, uma bobina magnética extremamente forte. O magnétron opera quase na mesma frequência utilizada pelos telefones sem fio e pelas redes de computadores wireless (sem fio). Analise as seguintes afirmações: I. Mediante o processo de ressonância, as micro-
-ondas emitidas no forno são absorvidas pelas móleculas de água existentes nos alimentos aumentando sua energia de vibração, produ-zindo o aquecimento dos alimentos.
II. As micro-ondas são ondas eletromagnéticas, de alta frequência e pequeno comprimento de onda, em comparação com as ondas de rádio.
III. Com o aumento de temperatura do alimento, este passa a emitir parte da energia que re-cebeu das micro-ondas, na faixa do infraver-melho, em frequências maiores do que as das micro-ondas.
Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmativa(s):a) I, II e III c) I e III e) Ib) II e III d) III
T. 417 (UFC-CE) Analise as assertivas abaixo e a seguir escolha a alternativa correta. I. Elétrons em movimento vibratório podem fazer
surgir ondas de rádio e ondas de luz.
II. Ondas de rádio e ondas de luz são ondas ele-tromagnéticas.
III. Ondas de luz são ondas eletromagnéticas e ondas de rádio são mecânicas.
a) Somente a I é verdadeira.
b) Somente a II é verdadeira.
c) Somente a III é verdadeira.
d) Somente a I e a II são verdadeiras.
e) Somente a I e a III são verdadeiras.
T. 419 (UFPI) Determinada emissora de rádio transmite na frequência de 6,1 MHz (6,1 3 106 Hz). A velocidade da luz no ar é 3,0 3 108 m/s. Para sintonizar essa emissora necessitamos de um receptor de ondas curtas que opere na faixa de:a) 13 m
b) 19 m
c) 25 m
d) 31 m
e) 49 m
Dentre as fontes citadas a seguir, qual produz ra-diação eletromagnética com maior comprimento de onda no vácuo?a) laser de ultravioleta
b) forno de micro-ondas
c) luz vermelha
d) aparelho de raios X
e) laser de infravermelho
tEstEs propostos
T. 418 (PUC-RJ) Considere o espectro eletromagnético de acordo com a frequência (em hertz):
f
ondas de rádio ................................... 108
micro-ondas ...................................... 1010
infravermelho ................................... 1013
ultravioleta ........................................ 1016
raios X ................................................ 1019
raios gama ......................................... 1022
T. 420 (Unifesp) “Cientistas descobriram que a exposição das células humanas endoteliais à radiação dos telefones celulares pode afetar a rede de proteção do cérebro. As micro-ondas emitidas pelos celula-res deflagram mudanças na estrutura da proteína dessas células, permitindo a entrada de toxinas no cérebro.” (Folha de S.Paulo, 25.7.2002)
As micro-ondas geradas pelos telefones celulares são ondas de mesma natureza que a:a) do som, mas de menor frequência.
b) da luz, mas de menor frequência.
c) do som, e de mesma frequência.
d) da luz, mas de maior frequência.
e) do som, mas de maior frequência.
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T. 423 (Unifacs-BA) Uma radiografia abdominal exibe sinais de tintas com chumbo, que, embora não sejam mais fabricadas, ainda constituem um pe-rigo. A partir da análise das informações, aliadas aos conhecimentos sobre mecânica ondulatória, é correto afirmar:a) Os raios X, produzidos pelo impacto dos elé-
trons sobre um alvo, são ondas mecânicas longitudinais.
b) Os sinais de tintas com chumbo, revelados na radiografia, evidenciam o fenômeno de reflexão dos raios X.
c) Os raios X se propagam no organismo humano com velocidade de propagação igual à da radia-ção luminosa no vácuo.
d) Os raios X são ondas eletromagnéticas que apresentam as propriedades ondulatórias da radiação eletromagnética emitida naturalmente pelo Sol.
e) Os ossos e os sinais de tintas aparecem mais cla-ros, na radiografia, porque os átomos pesados, como chumbo e cálcio, refletem integralmente os raios X.
T. 422 (Udesc) Analise as afirmações abaixo, com relação às ondas eletromagnéticas.
I. Os raios gama são radiações eletromagnéticas de frequência maior do que a luz visível.
II. As micro-ondas são ondas eletromagnéticas que se propagam, no ar, com velocidade maior do que as ondas de rádio.
III. Os campos elétricos e magnéticos em uma radiação infravermelha vibram paralelamente à direção de propagação da radiação.
Assinale a alternativa correta.a) Somente as afirmativas I e III são verdadeiras.
b) Somente a afirmativa II é verdadeira.
c) Somente a afirmativa III é verdadeira.
d) Somente as afirmativas II e III são verdadeiras.
e) Somente a afirmativa I é verdadeira.
T. 424 (Unirio-RJ) Os raios X, descobertos em 1895 pelo físi-co alemão Wilhelm Röntgen, são produzidos quando elétrons são desacelerados ao atingirem um alvo metálico de alto ponto de fusão como, por exem-plo, o tungstênio. Essa desaceleração produz ondas eletromagnéticas de alta frequência denominadas raios X, que atravessam a maioria dos materiais conhecidos e impressionam chapas fotográficas. A imagem do corpo de uma pessoa em uma chapa de raios X representa um processo em que parte da radiação é:a) refletida, e a imagem mostra apenas a radiação
que atravessou o corpo, e os claros e escuros da imagem devem-se aos tecidos que refletem, respectivamente, menos ou mais os raios X.
b) absorvida pelo corpo, e os tecidos menos e mais absorventes de radiação representam, res pectivamente, os claros e escuros da ima-gem.
c) absorvida pelo corpo, e os claros e escuros da imagem representam, respectivamente, os teci-dos mais e menos absorvedores de radiação.
d) absorvida pelo corpo, e os claros e escuros na imagem são devidos à interferência dos raios X oriundos de diversos pontos do pacien te sob exame.
e) refletida pelo corpo e parte absorvida, sendo que os escuros da imagem correspondem à absorção e os claros, aos tecidos que refletem os raios X.
Dentre as afirmações acima, apenas está(ão) correta(s):a) I e IIIb) I, II e IIIc) I e IId) II e IIIe) I
Energiaelétrica
RádioAM
Rádio FM,TV VHF
Forno de micro-ondas,radar, estações desatélites
Aquecedoresinfravermelhos
Tipos especiaisde lâmpadas
Frequência (hertz)
Rádi
o
Mic
ro-o
ndas
Infra
verm
elho
Luz
visí
vel
Ultr
avio
leta
Raio
s X
Raio
s ga
ma
Radiaçãonão ionizante
Radiaçãoionizante
10 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022
T. 421 (PUC-RJ) Os celulares, assim como o forno de micro--ondas e as emissoras de rádio, emitem radiação eletromagnética. As frequências em que operam, no entanto, são diferentes, sendo a faixa de fre-quências do celular de 800 MHz a 1.800 MHz. De acordo com a frequência da radiação, as reações do meio ambiente são diferentes, assim como os efeitos biológicos, havendo, por exemplo, a possi-bilidade de ionização de átomos.
Comparando-se com o espectro eletromagnético mostrado abaixo, podemos afirmar que os sinais emitidos pelos celulares (c 5 3 3 108 m/s):
I. estão na faixa do espectro eletromagnético das radiações não ionizantes, ao contrário dos raios X e dos raios gama que estão na faixa das radiações ionizantes.
II. têm comprimento de onda contido na faixa de 15 cm a 40 cm.
III. estão em faixa de frequência acima da faixa da luz visível.
T. 425 (UFRGS-RS) Identifique a alternativa que preenche corretamente as lacunas do parágrafo abaixo.
As emissoras de rádio emitem ondas que são sintonizadas pelo radiorreceptor. No processo de transmissão, essas ondas devem sofrer modu-lação. A sigla FM adotada por certas emissoras de rádio significa modulada.a) eletromagnéticas – frequência
b) sonoras – faixa
c) sonoras – fase
d) sonoras – frequência
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T. 426 (Enem-MEC) Os níveis de irradiância ultravioleta efetiva (IUV) indicam o risco de exposição ao Sol para pessoas de pele do tipo II — pele de pigmenta-ção clara. O tempo de exposição (TES) corres ponde ao tempo de exposição aos raios solares sem que ocorram queimaduras de pele. A tabela mostra a correlação entre riscos de exposição, IUV e TES.
Riscos de exposição
IUV TES (em minutos)
baixo 0 a 2 máximo 60
médio 3 a 5 30 a 60
alto 6 a 8 20 a 30
extremo acima de 8 máximo 20
T. 427 (PUC-SP) O esquema a seguir apresenta valores de frequên cia ( f ) e comprimento de onda (H) de ondas componentes do trecho visível do espectro eletro-magnético.
T. 428 (UnB-DF)
Ressonância magnética nuclear (RMN) No fenômeno da ressonância magnética nuclear
(RMN), certos núcleos atômicos, os prótons em es pe cial, colocados em um campo magnético, ab-sorvem e reemitem ondas de rádio com frequências bem definidas. Descobriu-se que sinais de rádio emitidos por núcleos de átomos de hidrogênio em cé lulas sadias são diferentes daqueles emitidos em células cancerígenas. Por esse motivo, a técnica de imagem por RMN tem-se tornado cada vez mais importante no diagnóstico de câncer. Para se ob ter uma imagem, o paciente é colocado no interior de uma bobina que produz um campo magnético com intensidade da ordem de 0,4 tesla. Os núcleos atômicos dos átomos de hidrogênio do corpo do pa ciente são, então, excitados por ondas de rádio com frequência na faixa de MHz. Os núcleos re- e mi tem as ondas, com características definidas pelo tipo de tecido, que são captadas por um con-junto de receptores.
Considerando que a permeabilidade magnética do vácuo j0 5 1,26 3 106 N/A2 e sabendo que um campo magnético uniforme de intensidade B armazena, em um volume V, uma quantidade de energia dada
por B2V ____
2j0
, julgue os itens a seguir.
1) A intensidade do campo magnético no interior de uma bobina não depende do número de es-piras que a compõem.
2) Se a bobina for feita com fios de material cuja resistência elétrica seja zero, então, em fun cio-na men to, ela não se aquecerá.
3) A energia armazenada em uma bobina cilín-drica de 80 cm de diâmetro interno e de 2 m de com pri mento, mantendo um campo magnético de 0,4 tesla em seu interior, é maior que a ener-gia cinética de um objeto de 1 kg movendo-se a 300 m/s.
4) A utilização do equipamento de RMN é motivo para preocupação, pois cátions e ânions, pre-sen tes na corrente sanguínea de um paciente, sofrem grandes variações de energia cinética devido ao campo magnético aplicado.
Uma das maneiras de se proteger contra queima-duras provocadas pela radiação ultravioleta é o uso dos cremes protetores solares, cujo fator de prote-ção solar (FPS) é calculado da seguinte maneira:
FPS 5 TPP _____ TPD
TPP 5 tempo de exposição mínima para produção de vermelhidão na pele protegida (em minutos).
TPD 5 tempo de exposição mínima para produção de vermelhidão na pele desprotegida (em minutos).
O FPS mínimo que uma pessoa de pele tipo II necessita para evitar queimaduras ao se expor ao Sol, considerando TPP o intervalo das 12:00 às 14:00, num dia em que a irradiância efetiva é maior que 8, de acordo com os dados fornecidos, éa) 5 c) 8 e) 20b) 6 d) 10
Vermelho
Alaranjado
Amarelo
Verde
Azul
Violeta
4,8
5,0
5,6
6,7
y
6,0
5,8
x
4,8
f (� 1014 Hz) λ (� 10–7 m)
O quociente y __
x é igual a:
a) 5 __ 4 c) 4 __
3 e) 3 __
2
b) 6 __ 7 d) 7 __
6
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