24.2: Produção de ondas eletromagnéticas
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva as ondas elétricas e magnéticas à medida que elas saem de uma fonte, como um gerador de corrente alternada.
- Explique a relação matemática entre a intensidade do campo magnético e a intensidade do campo elétrico.
- Calcule a intensidade máxima do campo magnético em uma onda eletromagnética, dada a intensidade máxima do campo elétrico.
Podemos obter uma boa compreensão das ondas eletromagnéticas (EM) considerando como elas são produzidas. Sempre que uma corrente varia, os campos elétricos e magnéticos associados variam, saindo da fonte como ondas. Talvez a situação mais fácil de visualizar seja uma corrente variável em um longo fio reto, produzida por um gerador de corrente alternada em seu centro, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{1}\).
O campo elétrico (\(\bf{E}\)) mostrado ao redor do fio é produzido pela distribuição de carga no fio. \(\bf{E}\)Tanto a distribuição da carga quanto a da cobrança variam conforme as mudanças atuais. O campo mutável se propaga para fora na velocidade da luz.
Há um campo magnético associado (\(\bf{B}\)) que também se propaga para fora (Figura\(\PageIndex{2}\)). Os campos elétrico e magnético estão intimamente relacionados e se propagam como uma onda eletromagnética. É o que acontece em antenas de transmissão, como as de emissoras de rádio e TV.
Um exame mais detalhado de um ciclo completo mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\) revela a natureza periódica das cargas acionadas pelo gerador oscilando para cima e para baixo na antena e no campo elétrico produzido. No momento\(t = 0\), há a separação máxima de carga, com cargas negativas na parte superior e cargas positivas na parte inferior, produzindo a magnitude máxima do campo elétrico (ou\(E\) campo) na direção ascendente. Um quarto de um ciclo depois, não há separação de carga e o campo próximo à antena é zero, enquanto o\(E\) campo máximo se afastou em alta velocidade\(c\).
Conforme o processo continua, a separação de carga é revertida e o campo atinge seu valor máximo descendente, retorna a zero e sobe para seu valor máximo ascendente ao final de um ciclo completo. A onda de saída tem uma amplitude proporcional à separação máxima da carga. Seu comprimento de onda (\(\lambda\)) é proporcional ao período da oscilação e, portanto, é menor para períodos curtos ou altas frequências. (Como de costume, o comprimento de onda e a frequência (\(f\)) são inversamente proporcionais.)
Ondas elétricas e magnéticas: movendo-se juntas
Seguindo a lei de Ampere, a corrente na antena produz um campo magnético, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\). A relação entre\(\bf{E}\) e\(\bf{B}\) é mostrada em um instante na Figura 2a. Conforme a corrente varia, o campo magnético varia em magnitude e direção.
As linhas do campo magnético também se propagam para longe da antena na velocidade da luz, formando a outra parte da onda eletromagnética, conforme visto na Figura\(\PageIndex{2b}\). A parte magnética da onda tem o mesmo período e comprimento de onda da parte elétrica, pois ambas são produzidas pelo mesmo movimento e separação de cargas na antena.
As ondas elétricas e magnéticas são mostradas juntas em um instante na Figura\(\PageIndex{3}\). Os campos elétrico e magnético produzidos por uma longa antena de fio reto estão exatamente em fase. Observe que eles são perpendiculares entre si e à direção da propagação, o que a torna uma onda transversal.
As ondas eletromagnéticas geralmente se propagam de uma fonte em todas as direções, às vezes formando um padrão de radiação complexo. Uma antena linear como essa não irradiará paralelamente ao seu comprimento, por exemplo. A onda é mostrada em uma direção a partir da antena na Figura\(\PageIndex{3}\) para ilustrar suas características básicas.
Em vez do gerador de corrente alternada, a antena também pode ser acionada por um circuito CA. Na verdade, as cargas irradiam sempre que são aceleradas. Mas enquanto uma corrente em um circuito precisa de um caminho completo, uma antena tem uma distribuição de carga variável formando uma onda estacionária, acionada pela corrente alternada. As dimensões da antena são críticas para determinar a frequência das ondas eletromagnéticas irradiadas. Esse é um fenômeno ressonante e, quando sintonizamos rádios ou TV, variamos as propriedades elétricas para obter condições de ressonância adequadas na antena.
Recebendo ondas eletromagnéticas
Ondas eletromagnéticas transportam energia para longe de sua fonte, semelhante a uma onda sonora transportando energia para longe de uma onda estacionária em uma corda de guitarra. Uma antena para receber sinais EM funciona ao contrário. E, assim como as antenas que produzem ondas EM, as antenas receptoras são especialmente projetadas para ressoar em frequências específicas.
Uma onda eletromagnética de entrada acelera os elétrons na antena, configurando uma onda estacionária. Se o rádio ou a TV estiverem ligados, os componentes elétricos captam e amplificam o sinal formado pelos elétrons acelerados. O sinal é então convertido para o formato de áudio e/ou vídeo. Às vezes, grandes antenas receptoras são usadas para focar o sinal em uma antena.
Na verdade, as cargas irradiam sempre que são aceleradas. Ao projetar circuitos, muitas vezes assumimos que a energia não escapa rapidamente dos circuitos de corrente alternada e, principalmente, isso é verdade. Uma antena de transmissão é especialmente projetada para aumentar a taxa de radiação eletromagnética, e a blindagem é necessária para manter a radiação próxima de zero. Alguns fenômenos familiares são baseados na produção de ondas eletromagnéticas por correntes variáveis. Seu forno de microondas, por exemplo, envia ondas eletromagnéticas, chamadas microondas, de uma antena oculta que tem uma corrente oscilante imposta a ela.
\(E\)Relacionando pontos fortes\(B\) de campo e campo
Existe uma relação entre as intensidades do campo\(E\)\(B\) - e - em uma onda eletromagnética. Isso pode ser entendido considerando novamente a antena que acabamos de descrever. Quanto mais forte for o\(E\) campo -criado por uma separação de carga, maior será a corrente e, portanto, maior será o\(B\) campo -criado.
Como a corrente é diretamente proporcional à tensão (lei de Ohm) e a tensão é diretamente\(E\) proporcional à intensidade do campo, as duas devem ser diretamente proporcionais. Pode-se mostrar que as magnitudes dos campos têm uma proporção constante, igual à velocidade da luz. Ou seja,
\[\frac{E}{B} = c \label{24.3.1}\]
é a razão entre a intensidade do\(E\) campo e a intensidade do\(B\) campo em qualquer onda eletromagnética. Isso é verdade em todos os momentos e em todos os locais no espaço. Um resultado simples e elegante.
Exemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating \(B\)-Field Strength in an Electromagnetic Wave
Qual é a intensidade máxima do\(B\) campo -em uma onda eletromagnética que tem uma intensidade máxima de\(E\) campo de\(1000 V/m\)?
Estratégia:
Para encontrar a força do\(B\) campo C, reorganizamos a Equação\ ref {24.3.1} para resolver\(B\), produzindo
\[B = \frac{E}{c}.\label{24.3.2}\]
Solução:
Nós recebemos\(E\), e\(c\) é a velocidade da luz. Inserindo-os na expressão de\(B\) rendimentos
\[B = \frac{1000 V/m}{3.00 \times 10^{8} m/s} = 3.33 \times 10^{-6} T, \nonumber\]
Onde T significa Tesla, uma medida da intensidade do campo magnético.
Discussão:
A intensidade do\(B\) campo C é inferior a um décimo do campo magnético reconhecidamente fraco da Terra. Isso significa que um campo elétrico relativamente forte de 1000 V/m é acompanhado por um campo magnético relativamente fraco. Observe que, à medida que essa onda se espalha, digamos, com a distância de uma antena, suas intensidades de campo se tornam progressivamente mais fracas.
O resultado desse exemplo é consistente com a afirmação feita no módulo 24.2 de que a mudança de campos elétricos cria campos magnéticos relativamente fracos. Eles podem ser detectados em ondas eletromagnéticas, no entanto, aproveitando o fenômeno da ressonância, como fez Hertz. Um sistema com a mesma frequência natural da onda eletromagnética pode oscilar. Todos os receptores de rádio e TV usam esse princípio para captar e amplificar ondas eletromagnéticas fracas, ao mesmo tempo em que rejeitam todas as outras que não estão em sua frequência de ressonância.
EXPERIÊNCIA PARA LEVAR PARA CASA: ANTENAS
Para sua TV ou rádio em casa, identifique a antena e desenhe sua forma. Se você não tiver cabo, poderá ter uma antena de TV externa ou interna. Estime seu tamanho. Se o sinal de TV estiver entre 60 e 216 MHz para canais básicos, qual é o comprimento de onda dessas ondas EM?
Tente sintonizar o rádio e observe a pequena faixa de frequências na qual um sinal razoável para essa estação é recebido. (Isso é mais fácil com a leitura digital.) Se você tiver um carro com rádio e antena extensível, observe a qualidade da recepção à medida que o comprimento da antena é alterado.
EXPLORAÇÕES PHET: ONDAS DE RÁDIO E CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS
Transmita ondas de rádio do KPhET. Mexa o elétron do transmissor manualmente ou faça com que ele oscile automaticamente. Exiba o campo como uma curva ou vetores. O gráfico de faixas mostra as posições dos elétrons no transmissor e no receptor.
Resumo
- As ondas eletromagnéticas são criadas por cargas oscilantes (que irradiam sempre que aceleradas) e têm a mesma frequência da oscilação.
- Como os campos elétrico e magnético na maioria das ondas eletromagnéticas são perpendiculares à direção em que a onda se move, normalmente é uma onda transversal.
- As forças das partes elétrica e magnética da onda estão relacionadas, o\[\frac{E}{B} = c, \nonumber\] que implica que o campo magnético\(B\) é muito fraco em relação ao campo elétrico\(E\).
Glossário
- campo elétrico
- uma grandeza vetorial (E); as linhas de força elétrica por unidade de carga, movendo-se radialmente para fora de uma carga positiva e para dentro em direção a uma carga negativa
- intensidade do campo elétrico
- a magnitude do campo elétrico, denotado campo E
- campo magnético
- uma grandeza vetorial (B); pode ser usada para determinar a força magnética em uma partícula carregada em movimento
- intensidade do campo magnético
- a magnitude do campo magnético, denotado campo B
- onda transversal
- uma onda, como uma onda eletromagnética, que oscila perpendicularmente ao eixo ao longo da linha de viagem
- onda estacionária
- uma onda que oscila no lugar, com nós onde nenhum movimento acontece
- comprimento de onda
- a distância de um pico ao outro em uma onda
- amplitude
- a altura, ou magnitude, de uma onda eletromagnética
- frequência
- o número de ciclos de onda completos (de cima para baixo) passando por um determinado ponto em um segundo (ciclos/segundo)
- ressonante
- um sistema que exibe oscilação aprimorada quando submetido a uma perturbação periódica da mesma frequência de sua frequência natural
- oscilar
- flutuar para frente e para trás em um ritmo constante