Por que as radiações eletromagnéticas interagem de diferentes formas nas regiões da atmosfera?

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Sabemos que todos os tipos de ondas eletromagnéticas transportam energia independentemente da sua frequência. A energia que uma onda eletromagnética transporta depende de sua frequência, sendo que quanto maior for a frequência, maior será a energia que ela transporta. Dependendo das condições, essa energia pode ser totalmente ou parcialmente transferida da onda eletromagnética para um meio material.

Essa interação depende do tipo de material e das características da onda, tais como frequência e intensidade. Em particular, são muito importantes as interações da radiação com os seres vivos. As ondas eletromagnéticas, assim como outros tipos de ondas, podem sofrer reflexão, refração e difração, quando se propagam através da interface entre dois meios.

Absorção

Uma onda eletromagnética, ao se propagar em um meio, pode ser absorvida, transferindo energia para ele. Desta forma, à medida que vai se propagando, vai diminuindo gradativamente a sua amplitude.

Um exemplo de absorção é a passagem de luz por um vidro ou plástico escuro, como o das lentes de óculos de sol. Utilizam-se também vidros escuros na embalagem de remédios que podem estragar ao serem expostos por longos períodos de tempo à luz do Sol. Esse tipo de vidro bloqueia a radiação ultravioleta e parte da luz visível.

Coeficiente de absorção

Uma medida da capacidade de absorção de um material é o seu coeficiente de absorção, medida pela fração da energia da onda eletromagnética que é absorvida ao passar por ele. Por exemplo, se fizermos um feixe de micro-ondas passar por um pedaço de carne crua, e esse absorver a metade da energia deste feixe, dizemos que ele apresenta um coeficiente de absorção de 50% para esta onda.

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Por outro lado, se usássemos luz verde, veríamos que ela seria completamente absorvida, não conseguindo atravessar o pedaço de carne. Neste caso, o coeficiente de absorção é de 100% e o objeto é denominado opaco. A absorção depende da frequência da onda eletromagnética.

Poderíamos calcular o coeficiente de absorção (A), a partir da intensidade da onda incidente e da intensidade da onda transmitida pelo material, pela expressão:

O coeficiente de absorção varia entre os valores zero e 1. Se multiplicarmos o valor de A por 100%, obtemos o valor em percentual. Assim, A = 0,5 representa uma absorção de 50% da radiação incidente pelo material.

A absorção depende também da espessura do objeto. Uma chapa de alumínio é completamente opaca para a luz visível, mas se a sua espessura for extremamente fina, pode deixar passar parte da luz. Os espelhos semitransparentes podem ser feitos com uma camada muita fina de alumínio, depositada na superfície de um vidro. Por outro lado, um vidro pode ser quase opaco se a sua espessura for muito grande.

Nos fornos de micro-ondas, a radiação utilizada é parcialmente absorvida pelos alimentos que estão dentro dele. A frequência das micro-ondas é escolhida de tal forma que essa radiação não seja totalmente absorvida ao passar pelo alimento, pois se isso ocorresse, não seria possível cozinhar ou aquecer sua parte central.

Por Domiciano Marques
Graduado em Física

Ondas eletromagnéticas são oscilações formadas por campos elétricose magnéticosvariáveis, que se propagam tanto no vácuo quanto em meios materiais. Elas são ondas tridimensionais e transversais que viajam na velocidade da luz, transportando exclusivamente energia. Ademais, apresentam-se na forma de ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios x e raios gama, em ordem crescente de frequência e energia.

Antes de continuarmos, sugerimos que você leia o nosso artigo e conheça alguns conceitos importantes sobre a classificação das ondas.

Tópicos deste artigo

• 1 - O que são ondas eletromagnéticas?
• 2 - Características das ondas eletromagnéticas
• 3 - Ondas eletromagnéticas no dia a dia
• 4 - Ondas eletromagnéticas e matéria

O que são ondas eletromagnéticas?

As ondas eletromagnéticas surgem com base na interação entre campos elétricos ou campos magnéticos variáveis. Essas se propagam no vácuo com a mesma velocidade que a luz, cerca de 300 mil quilômetros por segundo. Diferentemente das ondas mecânicas, como o som, as ondas eletromagnéticas podem propagar-se tanto em meios materiais quanto no vácuo. Por tratarem-se de fenômenos ondulatórios, elas podem sofrer reflexão, refração, absorção, difração, interferência, espalhamento e polarização.

As ondas eletromagnéticas foram previstas e teorizadas pelo físico e matemático escocês James Clerk Maxwell, que unificou as equações da eletricidade e do magnetismo já existentes (equações de Faraday, Ampére e Gauss) em equações de onda.

Saiba mais: Michel Faraday – um dos maiores experimentalistas da história!

Por meio de suas equações, Maxwell conseguiu calcular o módulo da velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas. A confirmação experimental da existência das ondas eletromagnéticas só surgiu cerca de uma década mais tarde, após experimentos realizados pelo físico alemão Heinrich Hertz.

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Todas as ondas eletromagnéticas apresentam frequência de oscilação, comprimento de onda e amplitude. Além disso, o comprimento de onda e a frequência são grandezas inversamente proporcionais, por isso, ondas de alta frequência, como os raios x ou raios gama, apresentaram comprimentos muito pequenos. A figura seguinte mostra o espectro eletromagnético e as diferentes faixas de ondas eletromagnéticas existentes, observe:

Características das ondas eletromagnéticas

Algumas características próprias das ondas eletromagnéticas:

• São transversais, isto é, a perturbação responsável por produzi-las acontece em uma direção perpendicular à sua direção de propagação. Nas ondas eletromagnéticas, o campo elétrico, o campo magnético e a direção de propagação são perpendiculares entre si;
• Propagam-se no vácuo com a mesma velocidade que a luz visível: 2,99792458.108 m/s, simbolizada pela letra c;
• Sua amplitude diz respeito à sua intensidade, quanto maior for a amplitude de uma onda eletromagnética, maior é a perturbação que ela é capaz de produzir;
• São tridimensionais, isto é, depois de produzidas, propagam-se igualmente em todas as direções;
• Quando atravessam meios materiais, como o ar ou a água, sua velocidade de propagação diminui, enquanto o seu comprimento de onda aumenta, de modo que a sua frequência não se altera. Esse fenômeno é conhecido como refração.

Veja também: O que são ondas para a física? Confira exercícios e mapa mental

Ondas eletromagnéticas no dia a dia

Confira alguns exemplos de ondas eletromagnéticas existentes e bastante usados em nosso cotidiano:

• Ondas de rádio: são largamente utilizadas nas telecomunicações. O sinal de rádio, televisão e celular encontra-se nessa faixa de frequência;
• Micro-ondas: também são muito utilizadas nas telecomunicações. Os roteadores de internet sem fio, popularmente conhecidos como Wi-fi, utilizam micro-ondas de frequências que variam entre 2,4 GHz e 5,8 GHz;
• Infravermelho: é também conhecido como onda de calor. Alguns dispositivos de segurança equipados com visão noturna são capazes de captá-lo. O infravermelho é a onda emitida quando usamos um controle remoto;
• Luz visível: é a faixa de ondas eletromagnéticas que se localiza entre as frequências de 480 THz e 750 THz.
• Ultravioleta: após certas frequências, passa a ser considerado uma radiação ionizante, isto é, uma onda eletromagnética com potencial de arrancar elétrons das moléculas, ocasionando o surgimento de anomalias celulares que podem evoluir para um câncer, por exemplo. Essa frequência de onda eletromagnética é bastante utilizada por peritos criminais para a detecção de materiais biológicos, como sangue e saliva; sua capacidade de ionização também permite usá-la para a esterilização de utensílios cirúrgicos, seringas, recipientes etc.;
• Raios x: chegam à Terra em pouca quantidade devido à presença da atmosfera terrestre. Essas ondas eletromagnéticas têm frequências muito altas e grande poder de penetração, por isso, são utilizadas para a obtenção de imagens de ossos e articulações e para o tratamento de tumores, por meio da radioterapia

Veja mais: Raios x - radiações eletromagnéticas de alta frequência

• Raios gama: são produzidos por reações nucleares, nas quais os níveis de energia do núcleo dos átomos sofrem variações. Essas ondas são extremamente energéticas e apresentam alto poder de penetração. Os raios gama são usados para estudos astronômicos e para a indução de reações nucleares.

Ondas eletromagnéticas e matéria

A forma como as ondas eletromagnéticas interagem com a matéria depende diretamente de sua frequência. Confira como as cargas elétricas e outras partículas respondem a cada tipo de onda:

• Ondas de rádio: promovem a oscilação coletiva de elétrons livres em metais, como ocorre nas antenas usadas em rádios e televisores;
• Micro-ondas: apresentam frequências parecidas com a frequência de rotação das moléculas de água, isso faz com que esse tipo de onda eletromagnética possa entrar em ressonância com essas moléculas, aquecendo-as por meio da rotação;
• Infravermelho: promove a vibração molecular, é uma das principais formas de transmissão de calor;
• Luz visível: é capaz de fornecer energia e excitar os elétrons presentes em moléculas;
• Ultravioleta: promove a excitação de elétrons mas também pode causar a ejeção de elétrons que se encontrem na camada de valência dos átomos;
• Raios x: são capazes de arrancar elétrons dos átomos por meio da colisão elástica entre fótons e átomos. Esses fótons são absorvidos pelos átomos e reemitidos em frequências menores;
• Raios gama: podem causar excitações nucleares, levando à sua dissociação, mas também podem gerar pares de matéria e antimatéria, causando a aniquilação mútua dessas partículas.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física

Porque as radiações Eletromagneticas interagem de diferentes formas nas regiões da atmosfera?

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