Luz como um espectro
Já aprendemos muito sobre a estrutura e a natureza das ondas. Sabemos que as ondas transportam energia de um lugar para outro e que perturbam seu meio de maneira periódica. As ondas são descritas e medidas por parâmetros como amplitude, frequência e comprimento de onda. Podemos ver ondas na água e ouvi-las como som, mas ainda não discutimos as ondas que percebemos como luz. A luz visível é apenas uma pequena parte de um grupo de ondas que chamamos de ondas eletromagnéticas. Para aprender mais sobre a luz, primeiro teremos que entender o espectro eletromagnético .
Ondas eletromagnéticas
O espectro eletromagnético descreve uma ampla gama de diferentes ondas eletromagnéticas . Também chamadas de ondas EM, são um tipo especial de onda que pode viajar sem um meio. Ao contrário das ondas sonoras e das ondas de água, as ondas eletromagnéticas não precisam de um fluido, ou sólido, ou mesmo ar para ajudá-las a viajar de um lugar para outro. As ondas EM podem viajar através do grande vácuo do espaço, é por isso que vemos a luz de estrelas e planetas distantes.
As ondas eletromagnéticas têm esse nome devido ao fato de possuírem um componente elétrico e outro magnético. Eles começam quando partículas carregadas, como elétrons, vibram devido às várias forças que agem sobre elas. A vibração de partículas carregadas resulta em uma emissão de energia conhecida como radiação eletromagnética. As ondas EM se propagam para fora da fonte. Assim como as ondas transversais regulares, as oscilações das ondas EM são perpendiculares à direção do percurso da onda. Porém, as ondas EM são mais complicadas; o componente elétrico oscila em um plano, enquanto o componente magnético oscila em um plano diferente. No vácuo, as ondas EM sempre viajam na mesma velocidade – a velocidade da luz, que é cerca de 300 milhões de metros por segundo. Chamamos esse valor de velocidade da luz, mas, na verdade, ele conta como a velocidade normal de todas as ondas EM.
Então, quais são as outras ondas EM além da luz? As ondas eletromagnéticas incluem infravermelho, ultravioleta, ondas de rádio e microondas. Eles também incluem raios X e raios gama. Você provavelmente já ouviu falar de todas essas ondas antes, mas pode não ter visto como elas se relacionam com a luz visível. Vamos dar uma olhada em como esses sete grupos de ondas se encaixam no espectro eletromagnético .
O Espectro Eletromagnético
O espectro EM é a faixa de todas as frequências possíveis de ondas eletromagnéticas. Em uma extremidade do espectro estão as ondas com as frequências mais baixas. Na outra extremidade estão as ondas de frequência mais alta. O espectro é dividido em regiões que definem cada um dos diferentes tipos de onda. Nas frequências mais baixas, temos ondas de rádio. Então, conforme aumentamos a frequência, encontramos as microondas, a radiação infravermelha e as ondas de luz visível. Avançando ainda mais no espectro, temos a radiação ultravioleta, os raios X e os raios gama. Os raios gama têm as frequências mais altas de todas as ondas EM.
As ondas eletromagnéticas também podem ser distinguidas por seu comprimento de onda. Os comprimentos de onda das ondas EM podem ser encontrados dividindo a velocidade da luz pela freqüência da onda; esta é uma modificação da equação de onda. Como todas as ondas EM viajam na velocidade da luz, o espectro de comprimentos de onda é exatamente o oposto do espectro de frequências. Em outras palavras, o comprimento de onda e a frequência são inversamente proporcionais entre si. Podemos ver nosso espectro eletromagnético não apenas em termos de frequências crescentes, mas também em termos de comprimentos de onda decrescentes. Conforme as frequências aumentam no espectro EM, os comprimentos de onda diminuem. Então, isso significa que as ondas de rádio têm os maiores comprimentos de onda e os raios gama, os menores.
Para ajudá-lo a associar essas relações em todo o espectro, tente imaginar uma onda contínua com mudanças graduais. A onda começa com arcos muito largos, indicando os grandes comprimentos de onda e baixas frequências das ondas de rádio. À medida que a onda se move ao longo do espectro, as cristas e depressões ficam mais próximas. No final, os arcos estão tão próximos que você mal consegue ver entre eles. Isso representa as altas frequências e os pequenos comprimentos de onda de nossos raios gama no final do espectro.
Fontes de radiação EM
Ondas eletromagnéticas são coisas difíceis de imaginar. Quer dizer, não é como se pudéssemos realmente vê-los ou senti-los, como podemos regar e as ondas sonoras. De onde vem a radiação eletromagnética? Já dissemos que se origina da vibração de partículas carregadas, mas o que isso realmente significa? Quais são as fontes dessas partículas carregadas?
A radiação na faixa de luz visível vem principalmente do sol. Lâmpadas, chamas ardentes e certos animais também podem ser fontes de luz visível. O infravermelho irradia do sol e de outras coisas quentes, como pessoas, aparelhos elétricos e galáxias distantes. A maioria das microondas que conhecemos vem de dispositivos que inventamos para gerá-las, mas existem microondas que vêm do sol e do universo em geral. Estrelas e raios são fontes naturais de ondas de rádio, mas também são produzidas pela antena de um transmissor de rádio.
Do outro lado do espectro, temos a radiação ultravioleta, que é emitida por luzes negras e lâmpadas fluorescentes. Claro, a principal fonte de raios ultravioleta é o sol, que também é uma importante fonte de raios-X. Tanto os raios X quanto os raios gama podem ser produzidos por máquinas usadas em diagnóstico por imagem, mas os raios gama vêm naturalmente do decaimento dos radioisótopos. Você pode ver que, em geral, todas as ondas eletromagnéticas são emitidas por objetos no espaço e todas podem ser produzidas por nossa tecnologia. No final do dia, porém, a estreita faixa de luz visível continua sendo a única região do espectro que podemos realmente ver.
Resumo da lição
As ondas EM originam-se da vibração de partículas carregadas e, ao contrário de outras ondas, podem viajar sem um meio. A vasta gama de frequências para ondas EM é descrita pelo espectro eletromagnético. O espectro se estende desde as ondas de rádio de frequência mais baixa até os raios gama de frequência mais alta. Também podemos descrever o espectro EM em termos de comprimentos de onda relativos: o tamanho do comprimento de onda diminui continuamente de ondas de rádio para raios gama.
Diferentes tipos de ondas se originam de diferentes fontes, mas a maioria deles é emitida por objetos encontrados no espaço sideral. Os humanos desenvolveram uma ampla gama de tecnologia para produzir ondas eletromagnéticas. Essas máquinas são usadas na medicina, comunicação e conveniência geral.
Resultados de Aprendizagem
Após esta lição, você será capaz de:
- Descreva o que são as ondas
- Explique como as ondas eletromagnéticas são diferentes de outros tipos de ondas
- Liste os sete grupos de ondas encontrados no espectro eletromagnético
- Descreva as características das ondas EM e entenda como elas são formadas
- Resuma as características das ondas em diferentes pontos do espectro eletromagnético
- Explique a relação entre comprimento de onda e frequência
- Saiba como calcular o comprimento de onda de uma onda EM
- Identificar fontes artificiais e naturais dos diferentes tipos de ondas eletromagnéticas