ONDAS MECÂNICAS, ONDA ELETROMAGNETICA E ÓPTICA FÍSICA

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1 FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA, CAMPUS DE JI-PARANÁ, DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL DE JI-PARANÁ DEFIJI 1 SEMESTRE ONDAS MECÂNICAS, ONDA ELETROMAGNETICA E ÓPTICA FÍSICA Prof. Robinson MOVIMENTO ONDULATÓRIO 1

2 Ondas O que você entende por onda? Noção de Onda Analise este experimento Denomina-se onda o movimento causado por uma perturbação que se propaga através de um meio. Observações: A rolha não é arrastada, concluímos que a onda não transporta matéria. Porém, como ela se movimenta, implica que recebeu energia da onda Conclusão: Uma onda transmite energia sem o transporte de matéria Quanto à Natureza CLASSIFICAÇÃO DAS ONDAS Ondas mecânicas: são aquelas que precisam de um meio material para se propagar (não se propagam no vácuo). Exemplos: Ondas em cordas e ondas sonoras (som), ondas numa mola, etc. Ondas eletromagnéticas:são geradas por cargas elétricas oscilantes e não necessitam de uma meio material para se propagar, podendo se propagar no vácuo. Exemplos: Ondas de rádio, de televisão, de luz, raios X, raios laser, ondas de radar etc. Quanto ao número de dimensões Ondas 1D, 2D, 3D Quanto à Direção de Vibração Onda transversal Onda Longitudinal 2

3 Onda transversal PROPAGAÇÃO DAS ONDAS Perturbação é o deslocamento vertical da corda em um ponto P Onda Longitudinal Perturbação é o a densidade do gás dentro da tubulação em um ponto P P MOVIMENTO ONDULATORIO HARMONICO Onda Harmônica transversal Onda Harmônica Longitudinal 3

4 ONDA HARMÔNICA TRANSVERSAL Comprimento de onda t 1 Freqüência t 2 t 3 t 4 t 5 Observação Cada ponto da corda faz MHS, segundo a curva. Velocidade de propagação das ondas Mecânicas Numa corda Velocidade em gases ou líquidos Em sólidos com propriedades elásticas 4

5 Numa Mola K: constante elástica da mola L: comprimento natural da mola m : massa da mola Velocidade de propagação das ondas Eletromagnéticas c: velocidade da onda eletromagnético no vazio EXEMPLOS DE ONDAS 5

6 AÇÃO DOS VENTOS NA FORMAÇÃO DAS ONDAS DE MAR Temperatura2 Temperatura 1 As ondas de mar seguem a direção do vento Como você explica a direção do vento? ONDAS DE MAR O que observamos nas ondas de mar? As ondas marítimas produzidas por ventos, têm comprimento de onda da ordem de algumas centenas de metros, no máximo. As ondas marítimas produzidas por tsunami, têm comprimento de onda entre 100 km km. 6

7 ONDAS SONORAS Infra-som Inferior a 20Hz Percebida por certos animais Freqüências audíveis para o ser humano Varia entre 20 Hz e Hz Ultra som Superior a 20000Hz ONDAS ELETROMAGNÉTICAS Ondas eletromagnéticas são utilizados freqüentemente nas comunicações. 7

8 CAMPOS Amplitudes Velocidade O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO comp. de onda (em metros) tam. de um comp. de onda nome comum da onda longo campo de futebol casa ondas de rádio bola de baseball micro-ondas curto célula bactéria vírus proteína molécula de água infravermelho ultravioleta raios-x duros visível raios-x moles raios gama fontes freqüência (Hz) rádio AM cavidade rf rádio FM forno micro-ondas radar pessoas lâmpadas elementos ALS máq. de radiativos raios-x energia de um fóton (ev) baixa alta Não tem limites definidos e nem lacunas 8

9 ALGUMAS REGIÕES CONHECIDAS Espectro de Radiação Eletromagnética Região Comp. Onda (Angstroms) Comp. Onda (centímetros) Freqüência (Hz) Energia (ev) Rádio > 10 9 > 10 < 3 x 10 9 < 10-5 Micro-ondas x x Infra-vermelho x x x Visível x x x x Ultravioleta x x x Raios-X x x Raios Gama < 0.1 < 10-9 > 3 x > 10 5 Propriedades das ondas eletromagnéticas 1. E e B perpendiculares à direção de propagação(transversal) 2. E e B perpendiculares entre si 3. E B sentido da propagação 4. Ee Bvariam senoidalmente, mesma freq.e em fase 9

10 POLARIZAÇÃO Antenas na vertical ou horizontal? polarização y B E z Plano de polarização LUZ POLARIZADA Fonte de luz comum polarizadas aleatoriamente ou não-polarizadas y E ou E z Parcialmente polarizadas setas comp. diferentes 10

11 FILTRO POLARIZADOR Não-polarizada em polarizada E feixe incidente polarizador luz polarizada Representação do vetor campo elétrico de uma onda eletromagnética 11

12 Intensidade da luz polarizada transmitida Luz não-polarizada: polariz. não-polariz. Luz polarizada: projeção o vetor E y E θ E y Ez z Como: (só para luz já polarizada) POLARIZAÇÃO POR REFLEXÃO Luz refletida Parcialmente polarizada 12

13 Lei de Brewster Num ângulo particular: Luz refletida polarizada Luz incidente não-polarizada Luz refratada parcialmente polarizada DIFRAÇÃO DE RAIOS X 13

14 Conhecimento prévio 27 = ( ) (Ondas progressivasem direção contraria) Onda Eletromagnética INTERFERÊNCIA DE ONDAS (Ondas progressivas na mesma direção) ±mλ (α = ±2mπ) λ /2 ±mλ (α = π±2mπ) Radiação ionizante e não ionizante 28 14

15 EXEMPLOS DE INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATERIA Efeito Comptom Produção de pares Difração de fótons (Existe também Difração de nêutrons Difração de elétrons) Valores aproximadosdo comprimento de onda, freqüência e energia das ondas E/M Região Comp. Onda (Angstroms) Freqüência (Hz) Energia (ev) Rádio > 10 9 < 3 x 10 9 < 10-5 Micro-ondas x x Infra-vermelho x x Difração ótica clássica Realizado com fendas retangulares ou circulares Visível x x Ultravioleta x x Raios-X x x Raios Gama < 0.1 > 3 x > 10 5 Difração de raios x Realizado com cristais cujo parâmetro de rede esta na ordem dos angstroms 15

16 GERAÇÃO DOS RAIOS X 31 Elétrons acelerados Raios x C : filamento de Tungstênio C1 : Acelerador de elétrons A : placa metálica Esfera de Be Característica dos raios x Elétrons acelerados até altas energias chocam-se contra um alvo metálico. hν = K - K ESPETRO DE RAIOS X DE UM METAL CUMPRIMENTO DE ONDA DOS RAIOS X Metal K α(å) Cr 2,29100 Fe 1, Co 1, Metal K α(å) Cu 1, Mo 0, CRISTALOGRAFIA DE RAIOS X λ 1-3 Å 16

17 ESTUDO DA ESTRUTURA CRISTALINA COM RX Em 2D o feixe difratado está a 2θ para um conjunto de planos orientados θ do feixe incidente. Em 3D todas as direções 2θ definem um cone de difração. Há muitos cones, cada um corresponde a um grupo diferente de planos de difração com um conjunto diferente de índices de Miller(hkl). O feixe difratado está no cone, mais a sua direção exata depende da orientação exata dos planos (hkl) com o feixe incidente (o raio espalhado tem que estar no plano definido pela normal aos planos de difração e o raio incidente). Técnica de Laue: monocristal (single crystal) Irradiado com raios-x brancos. Os raios-x difratados formam um conjunto de pontos difração numa placa fotográfica. Técnica de pó: amostra de cristal em pó irradiada com um feixe de raios-x monocromáticos (um único comprimento de onda). Os raios-x difratados formam aneles de difração numa placa fotográfica. 17

18 Difração de raios x 35 λ: É comprimento de onda d hkl : é a distância interplanar θ: O ângulo de incidência 2d hkl senθ=n λ Lei de Bragg REFRAÇÃO 18

19 LEI DA REFRAÇÃO Índices de refração (lei de Snell) OBSERVAÇÕES BÁSICAS θ 1 normal n 1 n 2 θ 2 θ 1 n 1 n 2 normal θ 2 θ 1 n 1 n 2 normal θ 2 19

20 ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE ALGUNS MATERIAIS Material Índice de Refração * ar 1,0003 diamante 2,419 sílica fundida 1,458 quartzo 1,418 flint leve 1,655 para que comprimento de onda? DISPERSÃO CROMÁTICA Vidro crown Índice de refração, n (λ) acrílico Quartzo fundido Comp. de onda λ (nm) 20

21 LEI DE SNELL E DISPERSÃO normal normal θ 1 θ 1 n 1 n 1 n 2 n 2 DISPERSÃO NUM PRISMA 21

22 ARCO - ÍRIS: DISPERSÃO DA LUZ SOLAREMTEMPODECHUVALEVE REFLEXÃO INTERNA TOTAL 22

23 REFLEXÃO INTERNA TOTAL quando REFLEXÃO INTERNA EM FIBRAS ÓPTICAS 23

24 Turma, em todas as línguas: 24