Conteúdo Eletromagnetismo Aplicações das ondas eletromagnéticas

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1 AULA 22.2 Conteúdo Eletromagnetismo Aplicações das ondas eletromagnéticas Habilidades: Frente a uma situação ou problema concreto, reconhecer a natureza dos fenômenos envolvidos, situando-os dentro do conjunto de fenômenos da Física e identificar as grandezas relevantes, em cada caso. Compreender as noções de Física Moderna, analisando a teoria da relatividade especial e a Física Nuclear. 1

2 O ESPECTRO MAGNÉTICO O conjunto de todos os tipos de ondas eletromagnéticas é denominado "espectro eletromagnético". Existem, atualmente, muitos tipos de ondas eletromagnéticas que constituem esse espectro. 2

3 O ESPECTRO MAGNÉTICO Todas as ondas que fazem parte desse espectro propagam-se, no vácuo, com uma velocidade igual a da luz e podem ser originadas pela aceleração de uma carga elétrica. Apresentarei, a seguir, algumas características de cada tipo de onda que constitui o espectro eletromagnético. 3

4 ONDAS DE RÁDIO rádio AM Micro-ondas Ultravioleta FM / TV Infravermelho Raios X F (Hertz) VISÍVEL vermelho (4,3 x Hz), laranja, amarelo (...) verde, azul, violeta (7,5 x Hz) 4

5 ONDAS DE RÁDIO São ondas que são produzidas por aceleração de elétrons em um antena emissora. Estes elétrons estão continuamente acelerados, portanto, produzem tais ondas. Têm uma frequência compreendida em até cerca de 10⁸ Hz (hertz). As ondas eletromagnéticas usadas pelas antenas de TV têm as mesmas características das ondas de rádio. Todavia, elas apresentam frequências mais elevadas do que aquelas normalmente usadas nas estações de rádio. 5

6 6 ONDAS DE RÁDIO

7 MICRO-ONDAS Considerando frequências mais elevadas do que as ondas de rádio, encontramos ondas eletromagnéticas denominadas micro-ondas. Estas ondas têm frequências compreendidas, aproximadamente, entre 10⁸ hertz e 10¹² hertz. 7

8 MICRO-ONDAS As microondas são amplamente usadas em telecomunicações, transportando sinais de TV ou transmissões telefônicas (por "via satélite"). 8

9 RADIAÇÃO INFRAVERMELHA A região seguinte do espectro eletromagnético é constituída pelas radiações infravermelhas, que são ondas eletromagnéticas com frequências desde cerca de 10¹¹ hertz até 10¹⁴ hertz. A radiação infravermelha é emitida em grande quantidade pelos átomos de um corpo aquecido, os quais se encontram em constante vibração. 9

10 RADIAÇÃO INFRAVERMELHA A radiação infravermelha pode ser usada para detectar a temperatura de objetos distantes e, por esse motivo, tem muitas aplicações na Astronomia. Observe estas fotografias térmicas: 10 Não-fumante Fumante

11 RADIAÇÃO INFRAVERMELHA As fotografias revelam informações que não são detectadas com a luz visível. Um de seus usos, a termografia médica, permite identificar condições patológicas invisíveis a olho nu ou que não podem ser detectadas por raios x. No campo militar, mísseis podem ser programados para seguir uma determinada fonte de calor, como, por exemplo, as turbinas de um avião inimigo. Em laboratórios, a espectroscopia por infravermelho é um importante método para a identificação de substâncias químicas desconhecidas. 11

12 RADIAÇÃO VISÍVEL As ondas eletromagnéticas cujas frequências estão compreendidas entre 4,6. 10¹⁴ hertz e 6,7. 10¹⁴ hertz constituem uma região do espectro eletromagnético de importância excepcional para nós. Estas radiações são capazes de estimular a visão humana, isto é, elas são as radiações luminosas (luz). As menores frequências das radiações visíveis dão-nos a sensação de vermelho. Aumentando a frequência das radiações teremos, sucessivamente, as radiações correspondentes ás cores laranja, amarelo, verde, azul, anil e, no final da região visível, a radiação violeta. 12

13 RADIAÇÃO VISÍVEL Pode-se perceber, então, que a denominação infravermelha foi usada porque as frequências desta radiação estão situadas em uma faixa logo abaixo da frequência correspondente à cor vermelha. Existe a relação entre comprimento de onda (λ) e frequência (f), cuja relação é inversamente proporcional, onde o comprimento da onda é dado pela divisão da velocidade da onda (no caso a velocidade da luz (c = 3x10 8 m/s)), pela frequência da onda. λ = c f 13

14 RADIAÇÃO VISÍVEL Abaixo segue uma tabela que ilustra bem cada faixa de frequência e comprimento de onda para as faixas de luz visíveis. Cor Comprimento de Onda (nm) Frequência (THz) Vermelho 625 a a 405 Laranja 590 a a 480 Amarelo 565 a a 510 Verde 500 a a 530 Ciano 485 a a 600 Azul 440 a a 620 Violeta 380 a a

15 RADIAÇÃO VISÍVEL A relação energia (E) e frequência (f), proposta por Einstein, é proporcional e está relacionada por uma constante, a constante de Planck (h), dada pela equação abaixo: E = h. f 15

16 RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA As ondas eletromagnética com frequências contidas entre cerca de 10¹⁶ e 10¹⁸ hertz são denominadas radiações ultravioletas. Esta denominação indica que essas ondas têm uma frequência superior a radiação violeta. Os raios ultravioleta são emitidos por átomos excitados como, por exemplo, em lâmpadas de vapor de mercúrio (Hg) (acompanhado de emissão de luz). 16

17 RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA Estas radiações não são visíveis, podendo mesmo danificar o tecido do olho humano. Elas podem ser detectadas por outros processos, como por exemplo, ao impressionarem certos tipos de chapas fotográficas. O Sol irradia raios ultravioletas para a Terra, porém, grande quantidade é absorvida pela camada de ozônio (O3) presente na atmosfera terrestre. Uma grande exposição da pele humana a radiações ultravioleta pode dar origem a ulcerações cancerosas. 17

18 RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA A radiação ultravioleta, ou simplesmente UV, é a mais energética entre aquelas emitidas pelo sol e por isso apresenta mais perigos para diversas formas de vida da superfície terrestre. Mas, felizmente, contamos com uma importante proteção contra os malefícios provocados pela incidência desses raios, que é a camada de ozônio (O₃). Essa camada forma-se na atmosfera terrestre, entre 12 e 32 km de altitude aproximadamente, e atua como um escudo, impedindo que a maior parte da radiação ultravioleta alcance a superfície do planeta. 18

19 RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA A radiação ultravioleta pode ser classificada em três tipos: UVA, UVB e UVC. Os raios UVA têm um comprimento de onda de 320 a 400 nm e são os de maior incidência na superfície terrestre, uma vez que não são absorvidos pela camada de ozônio. Eles correspondem à maior porção do espectro ultravioleta e incidem de igual maneira durante todo o dia e em todas as estações do ano, incluindo dias nublados e com baixa luminosidade. 19

20 RAIO X São ondas eletromagnéticas com frequência contida entre 10¹⁸ hertz e 10²⁰ hertz. Os raios X foram descobertos em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen ( ), que recebeu o Prêmio Nobel de Física, em 1901, por essa descoberta. 20

21 RAIO X A denominação "raios X" foi usada por Röntgen porque ele desconhecia a natureza das radiações que acabara de descobrir (raios X = raios desconhecidos) Estes raios podem ser produzidos em tubos apropriados (ampolas de raios X). Röntgen verificou que os raios X têm a capacidade de atravessarem, com certa facilidade, materiais de baixa densidade (como tecidos animais). Em virtude desta propriedade, logo após a descoberta dos raios X passaram a ser amplamente usados para obter radiografias. 21

22 RAIO X O próprio Röntgen foi o primeiro a fazer uso dessas radiações com esta finalidade, conseguindo obter a radiografia dos ossos da mão de uma pessoa. Modernamente, os raios X encontram um campo de aplicação muito amplo além de seu emprego nas radiografias. Assim são usados no tratamento do câncer, na pesquisa de estrutura cristalina os sólidos, na indústria e em quase todos os campos da ciência e da tecnologia. 22

23 RAIOS GAMA As ondas eletromagnéticas com frequência mais elevada do espectro eletromagnético são denominadas raios gama. Têm uma frequência compreendida entre 10²⁰ hertz e 10²² hertz. Esta radiação é emitida na desintegração de certos núcleos de alguns elementos químicos. Tais elementos químicos são denominados elementos radioativos. 23

24 RAIOS GAMA Um núcleo atômico ao se desintegrar pode irradiar três tipos de radiação: partículas alfa, partículas beta e raios gama. Os raios gama, assim como os raios X, podem causar danos irreparáveis às células animais. Na explosão de uma arma nuclear (uma bomba atômica, por exemplo) há uma enorme emissão dessas radiações, sendo, por este motivo, o uso de tais armas um grande perigo à humanidade. 24

25 RAIOS GAMA Suas principais características, resumidamente, são: Elevado poder penetrante; São ondas eletromagnéticas (velocidade: 3.10^8); Possui comprimentos de onda iguais ou menores que 10 ¹²; Possui frequências de 10²⁰ Hz; São os raios mais energéticos do espectro eletromagnético. 25

26 RAIOS GAMA Em 1900, o francês Paul Ulrich Villard ( ), químico e físico, ao estudar uma das propriedades do Urânio, descobre os raios gama. Ele notou que essa energia não podia ser desviada de campos elétricos e magnéticos, supondo que se tratava de partículas e não de radiação. 26

27 RAIOS GAMA A partir de 1902, Ernest Rutherford, Frederick Soddy e Edward Andrade começaram os estudos sobre os raios, separando-os em α, β e γ: Os raios α (alfa) e β (beta) são formados por partículas eletricamente carregadas. Os raios β são cem vezes mais penetrantes que os raios α. Ao estudarem o raio γ (gama), observaram que eram semelhantes à luz e cem vezes mais penetrantes que os raios beta. Veja, a seguir, uma tabela comparativa entre os tipos de Radiações (Alfa, Beta e Gama) 27

28 RAIOS GAMA Radiação Alfa α Beta β Gama γ Poder de Ionização Alto. A partícula alfa captura 2 elétrons do meio, se transformando em átomo de hélio. Médio. Por possuírem carga elétrica menor, possuem menor poder de ionização. Pequeno. Não possuem carga. Danos ao Ser humano Pequenos. São detidos pela camada de células mortas da pele, podendo no máximo causar queimaduras. Médio. Podem penetrar até 2cm e ionizar moléculas gerando radicais livres. Alto. Pode atravessar completamente o corpo humano, causando danos irreparáveis, como alteração da estrutura do DNA Velocidade 5% a velocidade da luz. 95% a velocidade da luz Igual à velocidade da luz km/s Poder de Penetração Pequeno. Uma folha de papel pode deter. Médio. É 50 a 100 vezes mais penetrante que a alfa. São detidas por uma chapa de chumbo de 2mm. Alto. Os raios Gama são mais penetrantes que os raios X. São detidos por uma chapa de chumbo de 5cm. 28

29 DINÂMICA LOCAL INTERATIVA (DLI) 1. O que é O Espectro Magnético? 2. Para você qual a principal utilização das ondas eletromagnéticas Micro-ondas? 29

30 QUESTÕES PARA INTERATIVIDADE 1. O que você entende por raios gama? Cite uma utilização. 2. Cite uma utilização dos raios ultravioleta? 30

31 QUESTÕES PARA INTERATIVIDADE 3. O que é uma onda? 31