Eletromagnetismo

 

As ondas eletromagnéticas preenchem um espectro com comprimentos de onda de milhares de quilómetros até comprimentos de onda mais de 10 20 vezes menor. Eles podem ser detectados utilizando um conjunto de instrumentos bastante diferentes. Como mostra o gráfico, a luz visível é composto por apenas uma pequena fração deste espectro: menos de uma oitava. Energias de fótons também variam ao longo desta faixa enorme: na faixa de rádio que coletamos um grande número de fótons, cada um tendo apenas uma energia pequena. A fase dos fótons em uma transmissão de rádio não é aleatória: é tal que as áreas se somam, e podemos, portanto, observar as suas combinados campos elétricos e magnéticos como elas oscilam no tempo e no espaço. Para raios gama, podemos observar os efeitos de muitas partículas carregadas, todos criados por um único fóton.

Esta página discute os usos e propriedades das diferentes bandas, e vários dos conceitos importantes associados com ondas eletromagnéticas.


O espectro eletromagnético
O espectro eletromagnético, com comprimentos de onda, frequências, energias, temperaturas e nomes

Nomes padrão para as bandas de rádio

Em um sistema de classificação, as ondas de rádio utilizados para comunicação (e outros fins) são nitidamente dividido em décadas, isto é, dividido em bandas de comprimentos de onda e cujas frequências variar ao longo de um factor de 10. No comprimento de onda, as bandas começam e terminam em metros vezes uma potência de dez. Como a velocidade da luz é cerca de 3 10  8 m / s, quando estas faixas são expressas em frequências, os seus limites são 3 vezes uma potência de 10 Hz. por exemplo, durante 3 GHz, λ = c / f = 10 cm. Os nomes das bandas são:
  • Fontes das super baixo e Extra bandas de baixa freqüência (SLF e ELF) são, principalmente, acidental ou natural. Por exemplo, autoridades da electricidade têm antenas muito longo, linhas de energia chamadas, que irradiam a 50 ou 60 Hz. Este sinal é captado como "hum" e é amaldiçoado por engenheiros elétricos em toda parte. Uma grande fonte natural é a interação do vento solar com a ionosfera, que produz correntes de baixa frequência (correntes telúricas) na terra e nos oceanos, e estes são estudados pelos geofísicos para deduzir, inter alia, a presença de corpos de minério cuja condutância elétrica difere do da crosta circundante.Como ULF, estas faixas podem ser utilizados para a comunicação com submarinos, com taxas de informação de baixo custo.
  • 300 Hz - 3 kHz. Freqüência Ultra Baixa (ULF) . As ondas electromagnéticas nesta gama não são fortemente absorvido pela água ou a terra. Podem, portanto, ser usado para se comunicar com submarinos e com minas. Uma desvantagem é que, com freqüência tão baixa, só se pode modular a sua amplitude ou freqüência muito lentamente (por exemplo, com o código morse) para que eles não podem carregar muito mais informações.Esta não é uma desvantagem se apenas a fase é necessária, como é o caso dos sistemas de navegação. Os comprimentos de onda são tão longas que as antenas podem ser enormes.
  • 3-30 kHz. Very Low Frequency (VLF) . Novamente, a capacidade de transporte de informação é limitada. Estes são utilizados em sistemas de navegação.
  • 30-300 kHz. Baixa freqüência (BF) . Esta banda tem a vantagem de que se pode propagar à volta da Terra, por refracção e de reflexão no ionisphere ou a superfície da Terra. Na verdade, estes dois condutores formam um guia de onda para ondas nesta faixa, o que pode, portanto, ser usados ​​para se comunicar através dos oceanos e ao redor do mundo.
  • 300 kHz - 3 MHz. Freqüência média (MF) . (Isto inclui a banda de rádio AM: veja abaixo). Essas ondas não são tão bem reflectida / refractada pela ionosfera, mas à noite não há reflexão suficiente para que se possa pegar centenas de estações de rádio ou milhares de km de distância. Isso não é possível com as ondas mais curtas usadas para rádio FM e televisão: para estes você precisa de um caminho livre para o transmissor que não é muito diferente de uma linha reta.
  • 3-30 MHz. High Frequency (HF) . Esta é também conhecida como a banda de onda curta. Ele inclui a banda CB (ver abaixo) e os canais usados ​​para o controlo de rádio. Como a freqüência da onda aumenta de transporte, torna-se possível codificar mais informações e canais de multidão (proporcionalmente) mais próximos.
  • 30-300 MHz. Very High Frequency (VHF) . (Inclui rádio FM e televisão). Antenas são muitas vezes feitas em cerca de um quarto ou um comprimento de onda longa meia.
  • 300 MHz - 3 GHz. Ultra High Frequency (UHF) . (GHz = 10 9 Hz). Isto inclui um pouco de televisão e telefones celulares: veja abaixo. Muitos canais estão disponíveis.
  • 3-30 GHz. Super Alta Freqüência (SHF) . (Corresponde aproximadamente a faixa de microondas) Usado para comunicação com os satélites.
  • 30-300 GHz. Alta Freqüência Extra (EHF) . Não há muito utilizado para comunicação de rádio (ainda), por causa da dificuldade tecnológica de codificação e descodificação de amplitude e frequência de modulação em tais altas frequências.
Aqui termina a banda de rádio. A partir daqui, comprimentos de onda são usados ​​quase que exclusivamente, em parte por razões tradicionais, e em parte porque as freqüências na faixa THz (THz = 10 12 Hz) são difíceis de medir diretamente. (Eles podem ser medidos por heteródino: observar as frequências diferença que fazem com sinais de referência.)

Raios infravermelho, visível, X, ultravioleta e gama

  • Infravermelho : comprimentos de onda maiores do que visível e até cerca de 1 mm (frequentemente medida em microns ou micrómetros, iM símbolo). A radiação infravermelha pode ser sentida como calor radiante: por exemplo, quando você está na frente de um incêndio. Algumas cobras têm sensores infravermelhos. O exército usa binóculos de infravermelho para a mesma razão que as cobras fazer: encontrar mamíferos, que são geralmente mais quente do que nos rodeia.

     

  • Visível : comprimentos de onda são cerca de 400 nm (luz violeta) a 700 nm (luz vermelha). Um nanômetro, símbolo nm, é 10 -9 m. O sol irradia mais fortemente neste intervalo, e nossa atmosfera não absorvê-lo (Los Angeles excetuados). Esta não é uma coincidência: nós evoluímos neste planeta, neste clima, então é claro que nós evoluímos sensores que utilizam a radiação disponível. ( Pace Dr. Pangloss, Liebniz e certos Naïfs outros. Qualquer leitores interessados ​​em teleologia deve seguir este link .) A luz visível pode causar reações químicas (por exemplo, a visão ea fotossíntese), mas normalmente não faz. Os díodos utilizados em células solares trabalhar a uma diferença de potencial de cerca de 0,6 volts, de modo que cada fotão visível tem energia suficiente para deslocar um electrão através da interface. Veja a página introdutória sobre o efeito fotovoltaico .

     

  • Ultravioleta : comprimentos de onda menores do que visível, até cerca de 10 nanômetros. UV é mais útil em química, porque cada fotão tem energia comparável com a de uma reacção química. É perigoso para o mesmo motivo: um fóton UV tem energia suficiente para danificar as moléculas de DNA em suas células (por isso lembre-se de usar protetor solar e um chapéu). Se os objetos são mais quentes que o Sol (por exemplo, algumas estrelas massivas jovens), eles irradiam no UV. As abelhas podem ver no UV próximo e assim por flores têm cores UV de atraí-los. (. Abelhas também pode ver a polarização da luz, que eles usam para navegar, mas isso é outra história) Quando a energia do fóton é alta o suficiente, é muitas vezes expressa em elétron-volts: um fóton ultravioleta com 10 eV ou mais tem energia suficiente para ionizar um átomo se seu elétron mais externo é realizada em um potencial elétrico de 10 Volts. Isto é típico das energias de ligação de átomos, que é por isso de UV é quimicamente potente.

     

  • Raios X : comprimentos de onda de vários nm até 10 pm (um picometre é 10 -12  m). Raios X com comprimentos de onda comparáveis ​​às dimensões atômicas são usados ​​para determinar a estrutura dos cristais, em uma técnica desenvolvida pelos físicos australianos, William Lawrence Bragg e , para o qual recebeu o prêmio Nobel em 1915. Os raios X são divididos informalmente em 'soft' raios-X com comprimentos de onda longos e 'duros' raios X com comprimentos de onda mais curtos e as energias mais elevadas. As suas energias são suficientes para ionizar átomos e de destruir as ligações químicas. Eles são produzidos naturalmente por algumas fontes radioativas, ou por muito objetos quentes, como estrelas de nêutrons. Eles são também produzidos por esmagamento electrões de alta energia em alvos de metal: raios X assim produzidos são utilizados para tratar cancros, incluindo cancro da mama. Raios X moles são parados por (o suficiente) de ar. Raios X duros podem penetrar profundamente no tecido.
  • Os raios gama : comprimentos de onda inferior a cerca de 10 pm. Eles têm uma energia muito alta, e muitas vezes vêm do espaço profundo, às vezes em explosões cataclísmicas de eventos cósmicos, como o colapso ou colisão de estrelas. A 10 GeV raios cósmicos tem a mesma energia que um elétron teria que foram acelerados por meio de 10 mil milhões de volts. Isso é energia suficiente para causar uma reação em cadeia de eventos de ionização na atmosfera da Terra, levando a um chuveiro de partículas carregadas.

   

 

Uma seção da banda FM

Os nomes comuns para as bandas de rádio . Para fins práticos, outras divisões da parte rádio do espectro são utilizados, incluindo aquelas bandas atribuídas para tipos específicos de comunicação. Assim, por exemplo as pessoas falam da banda de rádio AM, da banda CB etc Aqui estão alguns exemplos:

 

  • Rádio AM : 535 - 1.700 kHz (0,535-1,7 MHz) Dê uma olhada no mostrador do seu rádio e verificar a frequência da sua estação AM favorito. Em seguida, dividir esta na velocidade da luz para obter o comprimento de onda. Felizmente, não é necessário uma antena que tem um comprimento comparável, embora a intensidade do sinal irá aumentar à medida que aumenta o comprimento da antena.

     

  • Ondas curtas - várias bandas diferentes na faixa de 5,9-26,1 MHz

     

  • Cidadãos banda de rádio (CB) - Várias bandas em torno de 27 MHz.

     

  • Rádio FM : 88 - 108 MHz. Se o locutor diz 102,5 FM, ela está dizendo a freqüência de sua estação. O comprimento de onda são cerca de 3 metros, antenas de modo simples deve ser de cerca de 1/4 ou 1/2 deste comprimento. Para se ter uma idéia de como aglomerado do espectro eletromagnético é, ter um olhar para essa verificação (clique no gráfico amarelo) fornecidos por Balint Seeber , um estudante de física muito especial na UNSW.

     

  • Televisão - várias bandas diferentes entre 54 e 220 ​​MHz. (Televisão traz mais informações do que o rádio faz - imagens e som - e por isso precisa de bandas mais amplas para cada canal)
  • Os telefones móveis : 824 - 849 MHz
  • Sistema de Posicionamento Global : 1.2 -1,6 GHz
  • faixa de microondas é usado menos formalmente para comprimentos de onda de centímetros até mm, ou freqüências de até 10s ou 100s de GHz. A faixa de microondas é usado para radar e de longa distância de comunicações telefônicas interurbanas. Internamente, também é utilizado em fornos de microondas .

* Um FAQ sobre radiação de microondas é saber se essa produzida por um telefone portátil pode causar danos ao cérebro para que possa ser bastante próxima. A evidência sobre isso ainda não é clara. A discussão é a dada em "radiação de microondas e vazamento de albumina do sangue para o cérebro", James C Lin, IEEE Microwave Magazine, setembro de 2004.

Medição

Técnicas de medição, bem como as utilizações, variar consideravelmente ao longo do intervalo. Em comprimentos de onda longos e baixas freqüências, podemos observar exatamente como o campo elétrico e magnético variam com o tempo. Nas frequências mais baixas, podemos medir o tempo por ciclo: em altas freqüências, o número de ciclos por unidade de tempo. Em regime GHz ou Thz alta, já não podemos medir a freqüência diretamente, embora possamos calculá-lo a partir do comprimento de onda ea velocidade, ou medi-la usando indireção meios como heteródino. Wavelenths são geralmente mensurados usando espectrômetros, que utilizam o fenômeno da interferência. Para raios X, as redes de difração nos espectrômetros são cristais. Para raios gama, cujo comprimento de onda são bastante menor do que dimesions atômicas, tudo o que podemos medir é a energia.

Onda vocabulários de partículas de radiação vs EM

As limitações envolvidas nas medições têm implicações para a nossa escolha de usar frases do vocabulário onda ou partícula do vocabulário para descrever a radiação. Por exemplo, se estamos falando de uma onda de rádio transmitido na faixa de onda média, em seguida, um grande número de fótons que se combinam para fazer um elétrico e um campo magnético cuja amplitude podemos medir com bastante precisão. A intensidade desta onda seria proporcional ao quadrado da amplitude do campo eléctrico (ou o quadrado da amplitude do campo magnético). Nós não quis falar sobre fótons, porque é virtualmente impossível medi-los individualmente: cada um tem menos energia do que a energia cinética de átomos e elétrons, devido ao seu movimento térmico. Nós não poderíamos distinguir captura de fótons do movimento aleatório térmica de elétrons em nosso detector. Mesmo se arrefecer um detector para baixo para microKelvin temperatura (ver gráfico) para tentar medir fotões um de cada vez, a sua energia é tão pequena que é uma tarefa difícil. (Medindo a energia em ondas de rádio é como medir a água por volume: as moléculas de água estão lá, mas existem muitas moléculas em cada gota assim que nós pensamos da água como um continuum.)

Esta onda de rádio é também diferente da da luz comum porque é polarizada, e porque tem um comprimento de coerência muito grande: é que podemos relacionar a fase previsível sobre as regiões da onda separados por muitos kms. Além disso, é possível medir e para exibir os campos electromagnéticos (ou melhor, as tensões que eles produzem em uma antena) como uma função do tempo. Estas possibilidades de medição dispor-nos a usar o vocabulário de ondas para descrever os fenômenos.

 

Luz

Por outro lado, para a luz ou para as ondas com ondas mais curtas, que não se pode medir ou exibir E (t): os campos oscilar muito rápido. Em vez disso, com a luz, nós pegar fótons ": um único fóton interage com uma molécula de fotorreceptores em seu olho, um cristal em um filme, um elétron em um tubo de fotocélula etc / fotomultiplicador Porque este é localizado no espaço e no tempo, estamos usando o vocabulário de partícula. Neste vocabulário, a intensidade da onda é a energia por vezes fotões o número de fotões por unidade de área.

Observe que a opção de usar onda ou partícula vocabulário foi feita de acordo com aquilo que podemos medir (ou às vezes o que é conveniente para discutir). (É a opinião deste autor, que pouco conhecimento é adquirida de falar sobre "dualidade" onda-partícula ou se EM radiação "é" uma onda ou uma coleção de partículas. Essa conversa pode, no entanto, ajudar a vender livros de divulgação científica.)

Temperatura e cor

Espectro de corpo negroQuando fotões com uma dada energia equilibrar com a matéria, a energia térmica dos átomos (ou electrões, etc), é comparável com a dos fotões. Um corpo em equilíbrio com a sua radiação é chamado um corpo negro, eo comprimento de onda no qual um corpo negro com (absoluta) a temperatura T tem a sua maior potência radiante é dada pela lei do deslocamento de Wien:
  • λ max   = (2,9 x 10 -3 mK) / T.
(Ver radiação de corpo negro para mais detalhes. Existe também uma página na radiação térmica e por trabalho a roupa .) Assim, o sol, cuja superfície se aproxime um corpo negro com K temperatura 5.700, tem de radiação máxima a cerca de 500 nm, no meio de faixa do visível. Ele também emite comprimentos de onda de cada lado, e esta combinação é o que chamamos de luz branca. A mais quente estrela (ou uma faísca de solda) emite comprimentos de onda proporcionalmente mais curtos e por isso parece azul. Um refrigerador de estrela (ou um incêndio normal) emite comprimentos de onda mais longos, principalmente, e assim aparece em vermelho.

Assim, se o sol tem radiação pico no verde, por que não ficar verde? A resposta tem a ver com a largura de banda (que é definida como a diferença entre as frequências que têm metade da potência do máximo, um de cada lado). A largura de banda total visual é inferior a uma oitava: a partir de violeta para vermelho visível a mudança de comprimento de onda é inferior a 100%. A largura de banda de cada um dos tipos de foto receptores (L formalmente nomeado por muito tempo, M para médio e S para shorb, mas mais comumente conhecido como R, G e B) é de cerca de 20%. Os comprimentos de onda de máxima sensibilidade para os três tipos de receptores de foto são 440, 545 an 565 nm, eo enredo mostra auréola corpo negro para estas temperaturas.

À medida que a trama de mostras de radiação do corpo negro, a largura de banda (gama de frequências entre os pontos de meia potência máxima) de um corpo quente é bastante mais do que 100%. Olhando para esta curva, você vai ver que uma estrela (ou outro corpo simples quente) com a radiação máxima na verde emite fortemente em vermelho, verde e azul. No caso ou o sol, ou a maioria dos 5700 corpos K que estão perto de nós, a intensidade é grande o suficiente para que ele irá saturar todos os três tipos de receptores de cor, de modo que vemos branco. Então, como podemos ver estrelas vermelhas e azuis? As arestas dos picos na curva são íngreme. Quando vemos uma estrela azul, a máxima é no UV, e as estrelas vermelhas e laranja têm a deles no IR. (Mais uma vez, ter um olhar para a curva). Uma estrela, com um máximo no verde é o sol. Agora você não deve olhar para o sol, quando se está por cima, mas eu fiz (muito rapidamente) e é branco, devido à saturação de todos os fotorreceptores. (As outras cores que tem perto do nascer do sol e pôr do sol são devido à dispersão atmosférica ou, no caso de o flash verde , devido à dispersão mais dispersão.)

A radiação de fundo do universo tem uma temperatura de um K 3 (ou -270 ° C), e assim o seu espectro é principalmente na gama de microondas. Porque não podemos ver microondas, por isso, parece "negro" ou invisível para nós: é a radiação que vem do céu noturno, onde não há estrelas. Esta radiação tem viajado através do espaço desde que o universo era a poucas centenas de mil anos de idade, quando ele se tornou eletromagneticamente transparente. O universo era muito mais quente, em seguida, mas porque ele tem se expandido muito, sua radiação tem se expandido muito (comprimentos de onda tornaram-se mais tempo) e tornar-se muito mais frio.

 

Fótons e química

A luz ultravioleta provoca queimaduras solares, mas visível, não o faz. Por que isso? Muitas reações químicas podem ser ativados por radiação eletromagnética. No caso mais simples, um fotão interage com uma molécula para iniciar a reacção. Cada fóton tem uma energia hf, onde h é a constante de Planck, 6,63 X 10 -34  Js = 4,14 X 10 -15  eV.s.

Um átomo de hidrogénio tem uma energia de ionização de cerca de 13 eV assim, olhando para a tabela de espectro acima, um fotão com um comprimento de onda não muito mais curto do que 100 nm (bem no ultravioleta) tem energia suficiente para ionizar um átomo de hidrogénio. Reações químicas familiares têm energias de reação de dezenas de kJ por mol. Vamos dar 50 kJ.mol -1 como uma energia de reação, dividi-lo pelo número de Avagadro (6 X 10 23 para obter um valor por molécula, e usar 1,6 x 10 -19  eV joule por obter cerca de 0,5 eV por molécula como uma reação de energia. Assim, se fosse apenas uma questão de obter a partir de inicial para o estado final, um fotão no infravermelho poderia fornecer a energia. Normalmente, no entanto, existe um estado actived com uma energia bastante mais elevado, a energia de modo mais é necessário.

A luz visível pode causar algumas reações, tais como a fotoquímica em nossos olhos, ou em filme fotográfico. A fotossíntese é outro exemplo (e não complicado). A luz ultravioleta tem mais energia disponível, de modo UV podem causar queimaduras solares, enquanto a luz visível não. UV dura pode quebrar ligações carbono-carbono e têm graves efeitos bioquímicos para as pessoas.

Entropia

A entropia (mudança na) é definida como o calor adicionado reversivelmente a um sistema, dividido pela sua temperatura. Normalmente, calor e radiação ir de baixa entropia (T alto) para alta entropia (T baixa). Por exemplo, em uma grelha de cozinha, a radiação infravermelha em K várias centenas (e alguma luz fraca vermelho) é transmitido para alimentos a baixa temperatura (um K algumas centenas).

Isto pode parecer para levantar um paradoxo: microondas têm energias de meV, mas em um forno de microondas são utilizados para aquecer o alimento cujas moléculas já têm energias térmicas de ~ 0.1 eV. O ponto aqui é que a intensidade da radiação emitida pelo magnetrão ou klystron no forno de microondas é muito maior do que a da sua radiação térmica. Colocando o seu alimento no espaço interestelar, onde a radiação de microondas é fraca, não seria cozinhar: seria simplesmente arrefecer até cerca de 3 K. Além disso, a radiação emitida por um magnetrão (ou por um transmissor de rádio) não é aleatória, enquanto que a radiação térmica é aleatória. Transmissores normalmente produzem fótons que todos têm quase a mesma fase. Por exemplo, um campo de freqüência suficientemente intensa, mas de baixo elétrico poderia produzir um campo elétrico de magnitude de 100 mV / m, o que é suficiente para ionizar átomos, mesmo que um fóton pode não ter energia suficiente para cerca de ionização. O campo é forte, porque todos os fotões estão em fase e temos uma fonte de baixa entropia. Isto traz-nos à relação entre entropia e informação.

Informações

Assim como as ondas produzidas por um forno de microondas, as ondas de rádio usadas para comunicação consistem em um grande número de fótons, todos quase em fase. Isto dá-lhes uma entropia muito mais baixa do que a de um número semelhante de fotões com fase aleatória. Podemos então variar a fase do fotão (geralmente nas formas muito ligeiras associados com amplitude e frequência de modulação), de modo a transportar a informação útil.

Fontes cujos fótons têm fase aleatória transportar informações de outras maneiras. Astrônomos usam ondas de rádio a raios gama para obter imagens do céu. Para fazer isto, um mínimo de fotões vários (e geralmente muito mais) deve ser calculada a média para cada pixel na imagem. Em ótimas condições, escuros adaptados, um fotorreceptor único humano deve capturar fótons vários em um décimo de segundo para ser animado e para nos dar a sensação de um flash de luz fraca.Nossos olhos são os melhores em cerca de 10% de eficiência, de modo que este obriga-nos a receber a córnea fótons de várias dezenas centradas em um ponto na retina. Charged Coupled detectores são usados ​​em câmeras e eles são muito mais eficientes do que os nossos olhos, especialmente CCDs operando a temperaturas muito baixas.

Fonte: http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/EMspectrum.html (Tradução automática do Google)

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