16.6: O espectro eletromagnético

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Explique como as ondas eletromagnéticas são divididas em diferentes faixas, dependendo do comprimento de onda e da frequência correspondente
Descreva como as ondas eletromagnéticas em diferentes categorias são produzidas
Descreva algumas das muitas aplicações práticas diárias das ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas têm uma vasta gama de aplicações práticas diárias que incluem usos tão diversos, como comunicação por telefone celular e transmissão de rádio, Wi-Fi, culinária, visão, imagens médicas e tratamento de câncer. Neste módulo, discutimos como as ondas eletromagnéticas são classificadas em categorias como rádio, infravermelho, ultravioleta e assim por diante. Também resumimos algumas das principais aplicações de cada faixa.

As diferentes categorias de ondas eletromagnéticas diferem em sua faixa de comprimento de onda, ou equivalentemente, em suas faixas de frequência correspondentes. Suas propriedades mudam suavemente de uma faixa de frequência para outra, com diferentes aplicações em cada faixa. Uma breve visão geral da produção e utilização de ondas eletromagnéticas é encontrada na Tabela\(\PageIndex{1}\).

Tabela\(\PageIndex{1}\): Ondas eletromagnéticas
Tipo de onda	Produção	Aplicações	Problemas
Rádio	Acelerando as cobranças	Comunicações, controles remotos, ressonância magnética	Requer controle para o uso da banda
Microondas	Cargas aceleradas e agitação térmica	Comunicações, fornos, radar, uso do telefone celular
Infravermelho	Agitação térmica e transições eletrônicas	Imagem térmica, Aquecimento	Absorvido pela atmosfera, efeito estufa
Luz visível	Agitação térmica e transições eletrônicas	Fotossíntese, Visão humana
Ultravioleta	Agitação térmica e transições eletrônicas	Esterilização, produção de vitamina D	Depleção de ozônio, causa câncer
Raios-X	Transições eletrônicas internas e colisões rápidas	Segurança, diagnóstico médico, terapia do câncer	Causa câncer
Raios gama	Decadência nuclear	Medicina nuclear, Segurança, Diagnóstico médico, Terapia do câncer	Causa câncer, danos causados por radiação

A relação\(c = f\lambda\) entre a frequência f e o comprimento de onda\(\lambda\) se aplica a todas as ondas e garante que maior frequência signifique menor comprimento de onda. A figura\(\PageIndex{2}\) mostra como os vários tipos de ondas eletromagnéticas são categorizados de acordo com seus comprimentos de onda e frequências — ou seja, mostra o espectro eletromagnético.

A figura mostra o espectro EM. Ele mostra vários tipos de ondas com seus comprimentos de onda, frequências, escalas aproximadas, temperatura dos corpos que emitem essas ondas e se essas ondas penetram na atmosfera terrestre ou não. As ondas são: ondas de rádio, com comprimento de onda de 10 à potência 3 m, frequência de 10 à potência 4 Hz, na escala de edifícios, penetrando na atmosfera; microondas, com comprimento de onda de 10 à potência menos 2 m, frequência de aproximadamente 10 à potência 10 Hz, na escala de abelhas para humanos, não penetrando no atmosfera e emitida por corpos a 1 grau K; ondas infravermelhas com comprimento de onda de 10 à potência menos 5 m, frequência de aproximadamente 10 à potência 13 Hz, na escala de uma ponta de agulha, penetrando parcialmente na atmosfera e emitidas por corpos a 100 graus K; ondas de luz visível com comprimento de onda de 0,5 em 10 a a potência menos 6 m, frequência de 10 à potência 15 Hz, na escala de protozoários, penetrando na atmosfera e emitida por corpos a 10.000 graus K; ondas ultravioletas com comprimento de onda de 10 à potência menos 8 m, frequência de 10 à potência 16 Hz, na escala de moléculas, não penetrando na atmosfera e emitidos por corpos a aproximadamente 5 milhões de graus K; raios X com comprimento de onda de 10 à potência menos 10 m, frequência de 10 à potência 18 Hz, na escala de átomos, não penetrando na atmosfera e emitidos por corpos acima de 10 milhões de graus K; Raios gama com comprimento de onda de 10 à potência menos 12 m, frequência de aproximadamente 10 elevado à potência de 20 Hz, na escala de núcleos atômicos, não penetrando na atmosfera e emitidos por corpos muito acima de 10 milhões de graus K. — Figura\(\PageIndex{1}\): O espectro eletromagnético, mostrando as principais categorias de ondas eletromagnéticas.

Ondas de rádio

O termo ondas de rádio se refere à radiação eletromagnética com comprimentos de onda maiores que cerca de 0,1 m. As ondas de rádio são comumente usadas para comunicações de áudio (ou seja, para rádios), mas o termo é usado para ondas eletromagnéticas nessa faixa, independentemente de sua aplicação. As ondas de rádio normalmente resultam de uma corrente alternada nos fios de uma antena de transmissão. Eles cobrem uma faixa de comprimento de onda muito ampla e são divididos em várias subfaixas, incluindo microondas, ondas eletromagnéticas usadas para rádio AM e FM, telefones celulares e sinais de TV.

Não há frequência mais baixa de ondas de rádio, mas as ondas ELF, ou “frequência extremamente baixa”, estão entre as frequências mais baixas comumente encontradas, de 3 Hz a 3 kHz. A carga acelerada nas correntes de corrente alternada das linhas de energia elétrica produz ondas eletromagnéticas nessa faixa. As ondas ELF são capazes de penetrar na água do mar, que absorve fortemente as ondas eletromagnéticas de maior frequência e, portanto, são úteis para comunicações submarinas.

Para usar uma onda eletromagnética para transmitir informações, a amplitude, frequência ou fase da onda é modulada ou variada de forma controlada que codifica as informações pretendidas na onda. Na transmissão de rádio AM, a amplitude da onda é modulada para imitar as vibrações do som transmitido. O teorema de Fourier implica que a onda AM modulada equivale a uma superposição de ondas cobrindo uma faixa de frequência estreita. Cada estação AM recebe uma frequência de operadora específica que, por acordo internacional, pode variar\(\pm 5 \, kHz\). Na transmissão de rádio FM, a frequência da onda é modulada para transmitir essas informações, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{2}\), e a frequência de cada estação pode usar 100 kHz em cada lado de sua frequência portadora. A onda eletromagnética produz uma corrente em uma antena receptora, e o rádio ou a televisão processam o sinal para produzir o som e qualquer imagem. Quanto maior a frequência da onda de rádio usada para transportar os dados, maior a variação detalhada da onda que pode ser transportada modulando-a em cada unidade de tempo e mais dados podem ser transmitidos por unidade de tempo. As frequências atribuídas para transmissão AM são de 540 a 1600 kHz e para FM são de 88 MHz a 108 MHz.

A figura mostra três ondas senoidais. O primeiro, identificado como sinal, tem um comprimento de onda maior do que os outros dois. O segundo, denominado AM, tem sua amplitude modificada de acordo com a amplitude da onda do sinal. O terceiro, denominado FM, tem sua frequência modificada de acordo com a amplitude da onda do sinal — Figura\(\PageIndex{2}\): As ondas eletromagnéticas são usadas para transmitir sinais de comunicação variando a amplitude da onda (AM), sua frequência (FM) ou sua fase.

Conversas por telefone celular e imagens de voz e vídeo na televisão são comumente transmitidas como dados digitais, convertendo o sinal em uma sequência de binários uns e zeros. Isso permite uma transmissão de dados mais clara quando o sinal é fraco e permite o uso de algoritmos de computador para compactar os dados digitais e transmitir mais dados em cada faixa de frequência. Os dados do computador também são transmitidos como uma sequência de binários uns e zeros, cada um ou zero constituindo um bit de dados.

Microondas

As microondas são as ondas eletromagnéticas de maior frequência que podem ser produzidas por correntes em circuitos e dispositivos macroscópicos. As frequências de microondas variam de aproximadamente\(10^{9}Hz\) a quase\(10^{12} Hz\). Suas altas frequências correspondem a comprimentos de onda curtos em comparação com outras ondas de rádio — daí o nome “microondas”. As microondas também ocorrem naturalmente como a radiação cósmica de fundo que sobra da origem do universo. Junto com outras faixas de ondas eletromagnéticas, elas fazem parte da radiação que qualquer objeto acima do zero absoluto emite e absorve por causa da agitação térmica, ou seja, do movimento térmico de seus átomos e moléculas.

A maioria das informações transmitidas por satélite é transmitida por microondas. O radar é uma aplicação comum de microondas. Ao detectar e cronometrar ecos de microondas, os sistemas de radar podem determinar a distância até objetos tão diversos quanto nuvens, aeronaves ou até mesmo a superfície de Vênus.

Microondas de 2,45 GHz são comumente usadas em fornos de microondas. Os elétrons em uma molécula de água tendem a permanecer mais próximos do núcleo de oxigênio do que os núcleos de hidrogênio (Figura\(\PageIndex{3}\)). Isso cria dois centros separados de cargas iguais e opostas, dando à molécula um momento de dipolo. O campo elétrico oscilante das microondas dentro do forno exerce um torque que tende a alinhar cada molécula primeiro em uma direção e depois na outra, com o movimento de cada molécula acoplado às outras ao seu redor. Isso bombeia energia para o movimento térmico contínuo da água para aquecer os alimentos. O prato embaixo da comida não contém água e permanece relativamente sem aquecimento.

A figura mostra a estrutura molecular da água. A carga em cada átomo de oxigênio é de 2 delta menos. A carga em cada átomo de hidrogênio é delta plus. — Figura\(\PageIndex{3}\): O campo elétrico oscilante em um forno de microondas exerce um torque nas moléculas de água por causa de seu momento de dipolo, e o torque inverte a direção\(4.90 \times 10^9\) vezes por segundo. As interações entre as moléculas distribuem a energia que está sendo bombeada para elas. O\(\delta^+\) e\(\delta^-\) denotam a distribuição de carga nas moléculas.

As microondas em um forno de microondas refletem nas paredes do forno, de modo que a superposição de ondas produz ondas estacionárias, semelhantes às ondas estacionárias de uma corda vibratória de violão ou violino (modos normais de uma onda sonora estacionária). Um ventilador giratório atua como um agitador refletindo as microondas em diferentes direções, e as mesas giratórias de alimentos ajudam a espalhar os pontos quentes.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Why Microwave Ovens Heat Unevenly

A que distância estão os pontos de acesso em um forno de microondas de 2,45 GHz?

Estratégia

Considere as ondas ao longo de uma direção no forno, sendo refletidas na parede oposta de onde elas são geradas.

Solução

Os antinodos, onde ocorre a intensidade máxima, estão separados pela metade do comprimento de onda, com separação

\[ \begin{align} d &= \dfrac{1}{2} \lambda \\[4pt] &= \dfrac{1}{2} \dfrac{c}{f} \\[4pt] &= \dfrac{3.00 \times 10^8 m/s}{2(2.45 \times 10^9 \, Hz)} \\[4pt] &= 6.02 \, cm. \end{align}\]

Significância

A distância entre os pontos quentes em um forno de microondas é determinada pelo comprimento de onda das microondas.

Um telefone celular tem um receptor de rádio e um transmissor de rádio fraco, os quais podem sintonizar rapidamente centenas de frequências de microondas especificamente atribuídas. A baixa intensidade do sinal transmitido lhe confere um alcance intencionalmente limitado. Um sistema terrestre conecta o telefone somente à torre de transmissão atribuída à pequena área específica, ou célula, e transita suavemente sua conexão para a próxima célula quando a recepção do sinal é a mais forte. Isso permite que um telefone celular seja usado ao mudar de local.

As microondas também fornecem o WiFi que permite que proprietários de telefones celulares, laptops e dispositivos similares se conectem sem fio à Internet em casa, em cafeterias e aeroportos. Um roteador WiFi sem fio é um dispositivo que troca dados pela Internet por meio de um cabo ou outra conexão e usa microondas para trocar os dados sem fio com dispositivos como telefones celulares e computadores. O termo WiFi em si se refere aos padrões seguidos na modulação e análise das microondas para que roteadores e dispositivos sem fio de diferentes fabricantes funcionem de forma compatível uns com os outros. Os dados do computador em cada direção consistem em sequências de zeros e uns binários, cada uma correspondendo a um bit binário. As microondas estão na faixa de 2,4 GHz a 5,0 GHz.

Outras tecnologias sem fio também usam microondas para fornecer comunicações diárias entre dispositivos. O Bluetooth foi desenvolvido junto com o WiFi como um padrão para comunicação por rádio na faixa de 2,4 GHz entre dispositivos próximos, por exemplo, para conectar fones de ouvido e fones de ouvido de áudio a dispositivos como rádios, ou o celular do motorista a um dispositivo viva-voz para permitir atender chamadas sem atrapalhando diretamente com o celular.

As microondas também são usadas na marcação de rádio, usando a tecnologia RFID (identificação por radiofrequência). Exemplos são etiquetas RFID acopladas à mercadoria da loja, transponder para uso em cabines de pedágio acoplado ao para-brisa de um carro ou até mesmo um chip embutido na pele de um animal de estimação. O dispositivo responde a um sinal de microondas emitindo um sinal próprio com informações codificadas, permitindo que as lojas liguem rapidamente para os itens em suas caixas registradoras, os motoristas cobrem pedágios em sua conta sem parar e os animais perdidos se reúnam com seus donos. A NFC (comunicação de campo próximo) funciona de forma semelhante, exceto que tem um alcance muito menor. Seu mecanismo de interação é o campo magnético induzido nas frequências de microondas entre duas bobinas. Telefones celulares com capacidade NFC e o software certo podem fornecer informações para compras usando o telefone celular em vez de um cartão de crédito físico. O alcance muito curto da transferência de dados é um recurso de segurança desejado nesse caso.

Radiação infravermelha

O limite entre as regiões de micro-ondas e infravermelho do espectro eletromagnético não está bem definido (Figura\(\PageIndex{1}\)). A radiação infravermelha geralmente é produzida pelo movimento térmico e pela vibração e rotação de átomos e moléculas. Transições eletrônicas em átomos e moléculas também podem produzir radiação infravermelha. Cerca de metade da energia solar que chega à Terra está na região do infravermelho, com a maior parte do restante na parte visível do espectro. Cerca de 23% da energia solar é absorvida na atmosfera, cerca de 48% é absorvida na superfície da Terra e cerca de 29% é refletida de volta ao espaço.

A faixa de frequências infravermelhas se estende até o limite inferior da luz visível, logo abaixo do vermelho. Na verdade, infravermelho significa “abaixo do vermelho”. As moléculas de água giram e vibram particularmente bem em frequências infravermelhas. Os satélites de reconhecimento podem detectar edifícios, veículos e até mesmo humanos individuais por meio de suas emissões infravermelhas, cuja radiação de energia é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta. Mais mundanamente, usamos lâmpadas infravermelhas, incluindo aquelas chamadas aquecedores de quartzo, para nos aquecer preferencialmente porque absorvemos o infravermelho melhor do que o ambiente.

Os conhecidos “controles remotos” portáteis para alterar canais e configurações em aparelhos de televisão geralmente transmitem seu sinal modulando um feixe infravermelho. Se você tentar usar um controle remoto da TV sem que o emissor infravermelho esteja na linha direta de visão com o detector infravermelho, você poderá descobrir que a televisão não está respondendo. Alguns controles remotos usam Bluetooth em vez disso e reduzem esse incômodo.

Luz visível

A luz visível é o segmento estreito do espectro eletromagnético entre cerca de 400 nm e cerca de 750 nm ao qual o olho humano normal responde. A luz visível é produzida por vibrações e rotações de átomos e moléculas, bem como por transições eletrônicas dentro de átomos e moléculas. Os receptores ou detectores de luz utilizam amplamente transições eletrônicas.

A luz vermelha tem as frequências mais baixas e os maiores comprimentos de onda, enquanto a violeta tem as frequências mais altas e os comprimentos de onda mais curtos (Figura\(\PageIndex{4}\)). A radiação do corpo negro do Sol atinge o pico na parte visível do espectro, mas é mais intensa no vermelho do que no violeta, tornando o sol com aparência amarelada.

A figura mostra o comprimento de onda em nanômetros em um eixo. O comprimento de onda de 800 nm é rotulado como infravermelho. O espectro de luz visível vai do vermelho a 700 nm ao violeta a 400 nm. As cores do arco-íris são vistas no meio. O ultravioleta está a 300 nm. — Figura\(\PageIndex{4}\). Uma pequena parte do espectro eletromagnético que inclui seus componentes visíveis. As divisões entre infravermelho, visível e ultravioleta não são perfeitamente distintas, nem entre as sete cores do arco-íris.

Os seres vivos - plantas e animais - evoluíram para utilizar e responder a partes do espectro eletromagnético em que estão embutidos. Nós apreciamos a beleza da natureza através da luz visível. As plantas são mais seletivas. A fotossíntese usa partes do espectro visível para produzir açúcares.

Radiação ultravioleta

Ultravioleta significa “acima do violeta”. As frequências eletromagnéticas da radiação ultravioleta (UV) se estendem para cima a partir do violeta, a luz visível de maior frequência. O ultravioleta de maior frequência se sobrepõe aos raios X de menor frequência. Os comprimentos de onda do ultravioleta se estendem de 400 nm até cerca de 10 nm em suas frequências mais altas. O ultravioleta é produzido por movimentos atômicos e moleculares e transições eletrônicas.

A radiação UV do Sol é amplamente subdividida em três faixas de comprimento de onda: UV-A (320—400 nm) é a frequência mais baixa, depois UV-B (290—320 nm) e UV-C (220—290 nm). A maioria dos UV-B e todos os UV-C são absorvidos pelo ozônio (\(O_3)\)moléculas) na alta atmosfera. Consequentemente, 99% da radiação solar UV que atinge a superfície da Terra é UV-A.

A queimadura solar é causada por grandes exposições aos raios UV-B e UV-C, e a exposição repetida pode aumentar a probabilidade de câncer de pele. A resposta ao bronzeamento é um mecanismo de defesa no qual o corpo produz pigmentos nas camadas inertes da pele para reduzir a exposição das células vivas abaixo.

Conforme examinado em um capítulo posterior, quanto menor o comprimento de onda da luz, maior a mudança de energia de um átomo ou molécula que absorve a luz em uma transição eletrônica. Isso faz com que a luz ultravioleta de comprimento de onda curto prejudique as células vivas. Também explica por que a radiação ultravioleta é mais capaz do que a luz visível de fazer com que alguns materiais brilhem ou fluoresçam.

Além dos efeitos adversos da radiação ultravioleta, também há benefícios da exposição na natureza e dos usos na tecnologia. A produção de vitamina D na pele resulta da exposição à radiação UV-B, geralmente da luz solar. Vários estudos sugerem que a deficiência de vitamina D está associada ao desenvolvimento de uma série de cânceres (próstata, mama, cólon), bem como à osteoporose. O ultravioleta de baixa intensidade tem aplicações como fornecer energia para fazer com que certos corantes fluoresçam e emitam luz visível, por exemplo, em dinheiro impresso para exibir marcas d'água ocultas como proteção falsificada.

Raios-X

Os raios-X têm comprimentos de onda de cerca de 2\(10^{-8} m\) a 5\(10^{-12}m\). Eles têm comprimentos de onda mais curtos e frequências mais altas do que o ultravioleta, de modo que a energia que eles transferem em um nível atômico é maior. Como resultado, os raios X têm efeitos adversos nas células vivas semelhantes aos da radiação ultravioleta, mas são mais penetrantes. Câncer e defeitos genéticos podem ser induzidos por raios-X. Devido ao seu efeito nas células que se dividem rapidamente, os raios-X também podem ser usados para tratar e até curar o câncer.

O uso mais amplo dos raios X é para obter imagens de objetos que são opacos à luz visível, como o corpo humano ou partes de aeronaves. Em humanos, o risco de danos celulares é avaliado cuidadosamente em relação ao benefício das informações de diagnóstico obtidas.

Raios gama

Logo depois que a radioatividade nuclear foi detectada pela primeira vez em 1896, descobriu-se que pelo menos três tipos distintos de radiação estavam sendo emitidos, designados como raios alfa, beta e gama. Mais tarde, descobriu-se que a radiação nuclear mais penetrante, o \(\gamma\)raio gama (raio-X) era uma onda eletromagnética de frequência extremamente alta.

A extremidade inferior da faixa\(\gamma\) de frequência de raios X se sobrepõe à extremidade superior da faixa de raios-X. Os raios gama têm características idênticas aos raios X da mesma frequência — eles diferem apenas na fonte. O nome “raios gama” é geralmente usado para radiação eletromagnética emitida por um núcleo, enquanto os raios X geralmente são produzidos bombardeando um alvo com elétrons energéticos em um tubo de raios-X. Em frequências mais altas,\(\gamma\) os raios X são mais penetrantes e mais prejudiciais ao tecido vivo. Eles têm muitos dos mesmos usos dos raios-X, incluindo a terapia do câncer. A radiação gama de materiais radioativos é usada na medicina nuclear.

Use essa simulação para explorar como a luz interage com as moléculas em nossa atmosfera.

Explore como a luz interage com as moléculas em nossa atmosfera.
Identifique que a absorção da luz depende da molécula e do tipo de luz.
Relacione a energia da luz com o movimento resultante.
Identifique que a energia aumenta do microondas para o ultravioleta.
Preveja o movimento de uma molécula com base no tipo de luz que ela absorve.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Como as ondas eletromagnéticas dos diferentes tipos de radiação eletromagnética diferem?

Resposta: Eles se enquadram em diferentes faixas de comprimento de onda e, portanto, também em diferentes faixas de frequência correspondentes.