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1 Professor Felipe Técnico de Operações P-25 Petrobras Contatos : Felipe da Silva Cardoso skype para aula particular online: felipedasilvacardoso

2 A Física das Radiações Eletromagnéticas Ondas eletromagnéticas fazem parte do nosso dia-a-dia. Iniciando pelo Sol, a maior e mais importante fonte para os seres terrestres, cuja vida depende do calor e da luz recebidos através de ondas eletromagnéticas, algumas delas com potencial nocivo.

3 A Física das Radiações Eletromagnéticas O que nos interessa aqui são as fontes terrestres de radiação eletromagnética (estações de rádio e de TV, o sistema de telecomunicações à base de microondas, e muitas outras). O benefício dessas tecnologias é imenso custo x riscos potencias!

4 A Física das Radiações Eletromagnéticas Campo eletromagnético (EMF) é caracterizado pela sua freqüência ou comprimento de onda correspondente (wavelength). Essas ondas são carregadas por partículas denominadas quanta que carregam maior energia quanto maior a freqüência da onda.

5 A Física das Radiações Eletromagnéticas Radiações ionizantes são radiações eletromagnéticas de alta freqüência e que carregam energia suficiente para quebrar ligações químicas. Radiações eletromagnéticas na faixa da comunicação celular tem muito menor energia e são incapazes de quebrar ligações químicas -> não ionizantes! A energia de um fóton na radiação de RF é menor que 0.1% da energia cinética de ligação (1,6x10-19 J).

6 Natureza da Radiação Solar Esta questão foi elucidada por Albert Einstein, ao afirmar que a radiação solar se propaga por meio de pequenos pulsos ou feixes de fótons quanta (plural de quantum) individuais. Essa teoria foi denominada corpuscular. Planck descobriu que os quanta associados a uma determinada freqüência (v) da radiação possuem todos a mesma energia e que esta energia (E) é diretamente proporcional à freqüência. Esquema mostrando a emissão de fótons

7 E h c E h c Em que: v = freqüência, em HZ; h = constante de Planck, de 6,63 x Js -1 ; c = velocidade da luz, de 3 x 10 8 ms-1; λ = comprimento de onda, em m; E = energia, em J. Hoje, sabe-se, pela teoria quântica, que um elétron quando absorve energia do meio salta de um nível de energia (camada ou subcamada orbital) mais próximo do núcleo para um outro mais afastado, tornando-se o átomo instável e carregado negativamente. Para voltar à sua estabilidade, o elétron transfere esta energia para outros átomos ou para o meio, por um processo de transferência de energia. CONCLUSÃO a) Quanto maior a energia, menor será o comprimento de onda b) Quanto maior o comprimento de onda, menor será a freqüência da radiação

8 E h c E h c Em que: v = freqüência, em Hz; h = constante de Planck, de 6,63 x Js -1 ; c = velocidade da luz, de 3 x 10 8 ms-1; λ = comprimento de onda, em m; E = energia, em J.

9 Se a energia se propaga no espaço, de que maneira ocorre essa propagação? Esse fato pode ser elucidado pela teoria ondulatória, segundo a qual, a radiação solar se propaga em linha reta, por meio de um campo eletromagnético em movimento ondulatório. Ondas são perturbações periódicas, ou oscilações de partículas ou do espaço, por meio das quais muitas formas de energia se propagam a partir de suas fontes A) Uma onda não propaga matéria; B) As ondas propagam apenas energia, que é transferida por meio de átomos e moléculas da matéria. C) De modo geral as ondas necessitam de um meio material para se propagarem, exceto as eletromagnéticas, que se propagam no vácuo;

10 Ondas Eletromagnéticas Entre duas cargas elétricas em movimento existem o campo elétrico e o magnético perpendiculares entre si, ou seja, criam-se um campo elétrico e um campo magnético Esquema de uma onda eletromagnética: campo elétrico (E), campo magnético (M) e sentido de propagação (C)

11 Radiação visível (luz) Conjunto de radiações eletromagnéticas compreendidas entre 0,39 e 0,70 micrômetros. As radiações contidas nesta faixa de comprimento de onda, ao incidirem no sistema visual humano, são capazes de provocar uma sensação de cor no cérebro. Decomposição da luz branca através de um prisma Separação das cores

12 Radiação visível (luz) Cor Comprimento de onda Nanômetro (nm) Violeta 400 a 446 0,400 a 0,446 Azul 446 a 500 0,446 a 0,500 Verde 500 a 578 0,500 a 0,578 m Micrômetro ( m) Amarela Laranja Vermelha 578 a a a 700 0,578 a 0,592 0,592 a 0,620 0,620 a 0,700

13 RADIAÇÃO GAMA: emitida por materiais radiativos e pelo Sol. Localiza-se no espectro eletromagnético antes dos raios X, ou seja, aquém de 1 ângstrom. Possui altas freqüências e, por isso, é muito penetrante (alta energia). Na prática tem aplicação na medicina (radioterapia) e em processos industriais, principalmente na conservação de alimentos. RAIOS X: radiações cujas freqüências de onda estão acima das da radiação ultravioleta, ou seja, possuem comprimentos de ondas menores. São muitos usados em radiografias e em estudos de estruturas cristalinas de sólidos. Os raios X provenientes do Sol são absorvidos pelos gases na alta atmosfera. RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA: conjunto de radiações compreendidas na faixa de 0,01 a 0,38 micrômetros. Estas radiações são muito produzidas durante as reações nucleares no Sol. Entretanto, ao atingir o topo da atmosfera terrestre, são quase totalmente absorvidas pelo gás ozônio (O 3 ). O espectro do UV é dividido em três bandas: UV próximo (0,3 a 0,38 micrômetros), UV distante (0,2 a 0,3 micrômetro) e UV máximo (0,1 a 0,2 micrômetro).

14 Radiação Infravermelha (IV) Conjunto de radiações eletromagnéticas cujos comprimentos de onda variam de 0,7 a micrômetros. Situam-se no espectro eletromagnético entre a luz vermelha e as microondas; às vezes recebem a denominação de radiação térmica. Microondas Radiações eletromagnéticas que se estendem pela região do espectro de micrômetros até cerca de 1 x 10-6 micrômetros (1 m). São comumente referenciadas em Hertz e seus múltiplos, estando, neste caso, compreendidas entre 300 GHz a 300 MHz. Ondas de rádio Conjunto de radiações eletromagnéticas com frequências menores que 300 MHz (comprimento de onda maio que 1 m). Estas ondas são utilizadas principalmente em telecomunicação e radiodifusão.

15 CONCLUÃO Espectro eletromagnético Conjunto de todas as radiações, desde os raios gama até as ondas de rádio, que nada mais é do que a ordenação das radiações em função do comprimento de onda e da frequência. Espectro Eletromagnético

16 Esquema do espectro eletromagnético

17 Leis de Stefan - Boltzmann Define as relações entre o total da radiação emitida (E) em watts/m 2 e a temperatura (T) expressa em graus kelvin ( o K): E T 4 Em que: E = radiaância total emitido pela superfície (W/m2); = constante de Stefan-Boltzmann = 5,6693 x 10-8 Wm -2 K -4 ; T = temperatura em Kelvin emitida pelo material; = emissividade Esquema mostrando a radiação emitida pela superfície Emissão máxima de algumas estrelas

18 A energia de um fóton de radiação eletromagnética de freqüência f é dada por: Onde: E = h. f E = energia de um fóton h = constante de Planck h= 6,63 x Js ou h= 4,14 x ev. s f= Freqüência da radiação emitida Note que a frequência emitida é diretamente proporcional a energia, ou seja, quanto maior for a frequência da radiação, maior é a energia de seus fótons.

19 Pela teoria proposta pela física clássica, a luz era considerada uma radiação eletromagnética, portanto ela se comportava como uma onda

20 I O efeito fotoelétrico só ocorre a partir de uma determinada frequência f mín. II A partir do momento que o fenômeno tem início, a quantidade de cargas emitidas (fotoelétrons) da placa é diretamente proporcional à intensidade da luz. III Para frequências menores que f mín, o fenômeno não existe.

21 Segundo Einstein, as partículas de luz deveriam se chocar contra os elétrons, transferindo energia para eles durante a colisão. Só que o elétron está preso no material e, para libertar-se de sua prisão energética precisa receber uma certa dose de energia que, fisicamente corresponde a um trabalho a ser realizado. Essa dose de energia para arrancar o elétron é chamada de função trabalho ( ). f

22 O elétron recebe um quanta de energia : E c = h.f - I) Se a energia (h.f) for menor que a função trabalho ( f ), não haverá energia mínima suficiente para liberar o elétron e nada ocorre. II) Se a energia (h.f) for maior que a função trabalho ( f ), haverá energia suficiente para liberar o elétron com sobra. Esse excedente de energia (hf - f ), será igual a energia cinética (Ec) adquirida pelo elétron (Ec = hf - ). f f

23 III) Se a energia (hf) for igual a função trabalho ( f ), haverá energia suficiente apenas para liberar o elétron, mas não teremos sobra. Nesse caso, E c = 0. Essa hipótese corresponde o caso limite a partir do qual o elétron passa a ser liberado do metal. A frequência na expressão hf = f corresponde ao valor mínimo (f min ) a partir do qual o efeito fotoelétrico começa ocorrer. Assim: hf min = f

24 Para o elétron conseguir escapar é necessário que: Tenha quantidade mínima de energia, Para vencer o choque os átomos vizinhos e a atração dos núcleos desses átomos A energia mínima para esse elétron escapar do metal corresponde a uma função trabalho (f), que é característico de cada metal.

25 Quando o elétron recebe energia hf, essa deve ser superior a função trabalho (f) para que o elétron possa escapar, O excesso de energia é conservado pelo fotoelétron em forma de energia cinética. Observação: Ec = hf - f y = ax + b

26 Analogia: Frequência de corte (f min ): - para acharmos a frequência de corte ( f min ), - hf 0 = f, note que se isso ocorre se, Ec = 0

27 Observação: A emissão de fotoelétrons pela placa não depende da intensidade de radiação incidente, mas sim da freqüência da radiação (essa freqüência é a freqüência de corte f min ). A intensidade de radiação incidente tem haver com o número de elétrons arrancados, maior intensidade corresponde a um maior número de elétrons arrancados.

28 39 Petrobras 2010 março TO prova 40 Com relação à Radiação Eletromagnética, considere as afirmativas abaixo. I - São ondas eletromagnéticas produzidas por cargas elétricas aceleradas e classificadas por ordem crescente de frequência. II - São ondas longitudinais que necessitam de um meio material para se propagar. III - Transportam energia e quantidade de movimento e se deslocam, no vácuo, a uma velocidade aproximada de km/s, independente da frequência. É(São) correta(s) APENAS a(s) afirmativa(s) (A) I. (B) II. (C) III. (D) I e II. (E) I e III.

29 Petrobras 2010 março TQ prova Com relação às ondas eletromagnéticas, analise as afirmações abaixo. I - É uma onda constituída de campos elétricos e magnéticos que podem se propagar no vácuo, sem a necessidade de um meio material para dar suporte a elas. II - A luz visível, o infravermelho, o ultravioleta, o Raio-X e o Raio Y são exemplos de ondas eletromagnéticas. III - O espectro das ondas eletromagnéticas é classificado pela frequência, sendo que quanto maior a frequência da onda, menor é a energia que ela transporta. Está(ão) correta(s) APENAS a(s) afirmação(ões) (A) I. (B) II. (C) III. (D) I e II. (E) II e III.

30 32 Petrobras 2010 TPP prova 02 Com relação à radiação eletromagnética, considere as afirmativas abaixo. I - Radiação eletromagnética é uma onda na qual um campo magnético variável induz um campo elétrico também variável no tempo que, por sua vez, produz um campo magnético variável e assim sucessivamente se propagam as ondas eletromagnéticas. II - Radiação eletromagnética é uma onda eletromagnética de natureza mecânica que necessita de um meio material condutor para se propagar, uma vez que no vácuo, ou seja, na ausência de matéria, não há propagação. III - Radiação eletromagnética é uma onda de campos elétricos e magnéticos que oscilam longitudinalmente, ou seja na mesma direção de propagação, possuindo as mesmas características das ondas sonoras, que se propagam no vácuo a uma velocidade de 300 km/h. Está(ão) correta(s) APENAS a(s) afirmativa(s) (A) I. (B) II. (C) III. (D) I e II. (E) II e III.

31 Petrobras TO prova Uma radiação eletromagnética, propagando-se no ar, sofre refração ao penetrar em um meio mais refringente. Nesta mudança de meio, é mantida constante a seguinte característica física da onda: (A) velocidade. (B) massa. (C) frequência. (D) comprimento. (E) momento de dipolo magnético

32 Petrobras 2011 TIE prova Com respeito às ondas eletromagnéticas, analise as afirmações a seguir. I - É uma onda composta por um campo elétrico e um magnético, que se pode propagar no vácuo, portanto, sem a necessidade de um meio material para lhe dar suporte. II - A luz visível, o infravermelho, o ultravioleta e o Raio X são exemplos de ondas eletromagnéticas. III - Quanto maior a frequência da onda, menor é a energia que ela transporta. Está correto o que se afirma em (A) I, apenas. (B) II, apenas. (C) III, apenas. (D) I e II, apenas. (E) I, II e III.

33 Petrobras TO prova A radiação eletromagnética é um fenômeno ondulatório no qual um campo elétrico e outro magnético oscilam periodicamente enquanto a onda se propaga num determinado meio. A velocidade de propagação das onda eletromagnéticas no vácuo, é c 3,0 x 108 m/s. Qual das opções abaixo descreve a características físicas de uma onda eletromagnética? (A) Necessita de um meio material para se propagar. É uma onda do tipo transversal, ou seja, os campos elétrico e magnético oscilam perpendiculares à direção de propagação. (B) Necessita de um meio material para se propagar. É uma onda do tipo longitudinal, ou seja, os campos elétrico e magnético oscilam na mesma direção da propagação. (C) Não necessita de um meio material para se propagar. É uma onda do tipo transversal, ou seja, os camposelétrico e magnético oscilam perpendiculares à direção de propagação. (D) Não necessita de um meio material para se propagar. É uma onda do tipo transversal, ou seja, os campos elétrico e magnético oscilam na mesma direção da propagação. (E) Não necessita de um meio material para se propagar. É uma onda do tipo longitudinal, ou seja, os campos elétrico e magnético oscilam na mesma direção da propagação.

34 Petrobras TPP prova A luz visível é apenas uma pequena parte do espectro da radiação eletromagnética. Observe as afirmativas a seguir concernentes às radiações eletromagnéticas. I O calor proveniente do sol é resultado da radiação infravermelha, que é invisível. II A radiação emitida por uma lâmpada incandescente acesa apresenta um espectro aproximadamente igual ao de um corpo negro. III As estrelas que vemos no céu na cor branca emitem um espectro contínuo de radiação cobrindo toda a faixa do visível. IV De acordo com a relação de Planck, quanto maior o comprimento de onda de uma radiação eletromagnética, mais energética ela é. São corretas APENAS as afirmativas (A) I e II (B) I e III (C) I e IV (D) II e IV (E) III e IV

35 Petrobras 2012 TIE prova 39

36 Petrobras 2008 TO prova Considere as afirmações abaixo, sobre radiações eletromagnéticas. I - As radiações eletromagnéticas, tais como ondas de rádio, luz visível, raios X e raios, têm em comum, no vácuo, a velocidade. II - Os raios X são radiações eletromagnéticas de freqüência maior do que a luz visível. III - Elétrons em movimento vibratório podem fazer surgir ondas mecânicas e eletromagnéticas. É (São) correta(s) APENAS a(s) afirmativa(s) (A) I (B) II (C) III (D) I e II (E) I e III

37 Petrobras TPP prova A luz visível é apenas uma pequena parte do espectro da radiação eletromagnética. Observe as afirmativas a seguir concernentes às radiações eletromagnéticas. I O calor proveniente do sol é resultado da radiação infravermelha, que é invisível. II A radiação emitida por uma lâmpada incandescente acesa apresenta um espectro aproximadamente igual ao de um corpo negro. III As estrelas que vemos no céu na cor branca emitem um espectro contínuo de radiação cobrindo toda a faixa do visível. IV De acordo com a relação de Planck, quanto maior o comprimento de onda de uma radiação eletromagnética, mais energética ela é. São corretas APENAS as afirmativas (A) I e II (B) I e III (C) I e IV (D) II e IV (E) III e IV

38 Transpetro 2011 TO prova A radiação eletromagnética sensível ao olho humano definida como luz visível. A faixa de comprimento de onda da luz visível varia de 400 x 10-9 m a 700 x 10-9 m. A frequência que está dentro do espectro visível é Dado: A velocidade da luz no vácuo é de 300 x 106 m/s. (A) 60 x 1017 Hz (B) 60 x 1016 Hz (C) 60 x 1015 Hz (D) 60 x 1014 Hz (E) 60 x 1013 Hz

39 Transpetro 2012 TO prova 25

40 Petrobras 2011 TIE prova 29

41 Petrobras 2012 TPP- prova48

42 Petrobras 2005 TO 41 - A radiação eletromagnética é formada por um campo elétrico e um campo magnético que oscilam perpendicularmente entre si e perpendicularmente à direção de propagação da radiação, como mostra a figura abaixo. A onda eletromagnética se move com a velocidade da luz e pode ser definida em termos da sua freqüência de oscilação ou da distância entre picos sucessivos (comprimento da onda). A respeito das propriedades da radiação eletromagnética, é correto afirmar que: (A) a região de luz visível se situa no espectro eletromagnético entre as regiões de radiação infravermelha e ultravioleta. (B) as ondas de rádio possuem comprimento de onda inferior ao dos raios ultravioleta. (C) os raios gama e os raios-x possuem energia inferior à da radiação de microondas. (D) seu comprimento de onda é diretamente proporcional à sua freqüência. (E) só se propaga em meios materiais e, portanto, não se propaga no vácuo.

43 Petrobras 2005 TO

44 32 -Para que uma radiação consiga extrair elétrons de uma placa de tungstênio, é necessário que sua frequência seja, no mínimo, de 1,50 x Hz. Sendo assim, a energia cinética máxima, em elétron-volts, dos elétrons emitidos pelo tungstênio, no vácuo, quando nele incide uma radiação de comprimento de onda igual a 150 nm, é, aproximadamente, igual a Dados: - constante de Planck h = 6,63 x J.s - velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo c = 3,0 x 108 m/s - massa do elétron m = 9,1 x kg - 1 ev = 1,6 x J (A) 2,1 (B) 4,8 (C) 6,9 (D) 11,5 (E) 18,5

45 Petrobras 2012 TO 38 A lâmpada de vapor de sódio, à baixa pressão, emite luz amarela praticamente monocromática. O comprimento de onda dessa luz no vácuo é de, aproximadamente, 588 nm. A luz emitida por essa lâmpada se propaga dentro do vidro com comprimento de onda, em nm, aproximadamente igual a Dados: velocidade da luz no vácuo: 3,0 x 108 m/s velocidade da luz no vidro: 2,0 x 108 m/s (A) 196 (B) 294 (C) 392 (D) 882 (E) 1.176

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