As ondas eletromagnéticas (EM) estão zunindo ao seu redor o tempo todo, e seu estudo representa uma área crucial da física. Compreender, classificar e descrever as várias formas de radiação eletromagnética ajudou a NASA e outras entidades científicas a empurrar a tecnologia humana para dentro e além de territórios anteriormente inexplorados, geralmente de maneira dramática. No entanto, apenas uma pequena fração das ondas eletromagnéticas são visíveis ao olho humano.

Na física, uma certa quantidade de matemática é inevitável. Mas o bom das ciências físicas é que a matemática tende a ser logicamente "pura" - ou seja, quando você estiver familiarizado com as equações básicas da mecânica clássica (ou seja, coisas grandes e visíveis em movimento), as equações de o eletromagnetismo parece familiar, apenas com variáveis diferentes.

Para entender melhor os campos e as ondas eletromagnéticas, você deve ter um conhecimento básico das equações de Maxwell, derivadas de James Clerk Maxwell na segunda metade do século XIX. Essas equações, das quais a solução geral para ondas EM é derivada, descrevem a relação entre eletricidade e magnetismo. No final, você também deve entender o que significa "ser" uma onda - como essas ondas em particular são um pouco diferentes.
Equações de Maxwell

As equações de Maxwell formalizam a relação entre eletricidade e magnetismo e descrevem todos esses fenômenos. Com base no trabalho de físicos como Carl Gauss, Michael Faraday e Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell descobriu que as equações produzidas por esses cientistas relacionando campos elétricos e magnéticos eram fundamentalmente sólidas, mas imperfeitas.

Se você ' não estiver familiarizado com o cálculo, não desanime. Você pode acompanhar muito bem sem resolver nada. Lembre-se de que a integração nada mais é do que uma forma inteligente de encontrar a área sob uma curva em um gráfico, adicionando fatias incrivelmente pequenas dessa curva. Além disso, embora as variáveis e os termos possam não significar muito a princípio, você os consultará repetidamente ao longo do artigo, pois as "luzes" continuam iluminando esse tópico vital.

A primeira equação de Maxwell é derivado da lei de Gauss para campos elétricos, que afirma que o fluxo elétrico líquido através de uma superfície fechada (como a parte externa de uma esfera) é proporcional à carga interna:
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}

Aqui, o triângulo invertido ("nabla" ou "del") representa um operador de gradiente tridimensional, ρ
é a densidade de carga por unidade de volume e ε
_{0 é a permissividade elétrica do espaço livre
.}

A segunda equação de Maxwell é a lei de Gauss para o magnetismo, na qual , diferente do caso dos campos elétricos, não existe uma "carga magnética pontual" ou um monopolo magnético . Em vez disso, as linhas do campo magnético aparecem como loops fechados. O fluxo magnético líquido através de uma superfície fechada sempre será 0, o que resulta diretamente do fato de os campos magnéticos serem dipolares.

A lei estabelece que todas as linhas de um campo magnético B
entram em uma o volume no espaço deve sair desse volume em algum momento, e esse é o próximo fluxo magnético através da superfície, portanto, é zero.

A terceira equação de Maxwell (lei de indução magnética de Faraday) descreve como um campo elétrico é criado por um campo elétrico. mudança de campo magnético. O engraçado "∂" significa "derivada parcial" e implica flutuação. Símbolos estranhos à parte, a relação mostra que uma mudança no fluxo elétrico resulta e obriga a um campo magnético não constante e constante.
A quarta equação de Maxwell (a lei de Ampere-Maxwell) é a fonte para os outros, pela correção de Maxwell pelo fracasso de Ampere em explicar correntes não constantes ondulou pelas outras três equações com fatores de correção próprios. A equação é derivada da lei de Ampere e descreve como um campo magnético é gerado por uma corrente (carga móvel), um campo magnético variável ou ambos.

Aqui, μ
_{0 é a permeabilidade do espaço livre. A equação mostra como o campo magnético dentro de uma determinada área ao redor da corrente em um fio J
muda com essa corrente e com o campo elétrico E
.
Implicações das equações de Maxwell}

Uma vez que Maxwell formalizou seu entendimento de eletricidade e magnetismo com suas equações, ele procurou várias soluções para as equações que pudessem descrever novos fenômenos.

Como um campo elétrico em mudança gera um campo magnético e uma mudança Como o campo magnético gera um campo elétrico, Maxwell determinou que uma onda eletromagnética de autopropagação poderia ser gerada. Usando suas equações, ele determinou que a velocidade de uma onda desse tipo teria uma velocidade igual à velocidade da luz. Isso acabou por não ser coincidência, e levou à descoberta de que a luz é uma forma de radiação eletromagnética!
Propriedades das ondas

Em geral, as ondas são oscilações em um meio que transferem energia de um lugar para o outro. outro. As ondas têm um comprimento de onda, período e frequência associados a elas. A velocidade v
de uma onda é seu comprimento de onda λ
vezes sua frequência f
, ou λf \u003d v.

A unidade SI do comprimento de onda é o medidor, embora os nanômetros sejam encontrados com mais frequência, porque são mais convenientes para o espectro visível. A frequência é medida em ciclos por segundo (s <-1) ou hertz
(Hz), depois de Heinrich Hertz. O período T
de uma onda é o tempo que leva para completar um ciclo, ou 1 /f.

Para o caso de uma onda EM, diferentemente da situação com ondas mecânicas, v
é constante em todas as situações, o que significa que λ
varia inversamente
com f
. Ou seja, frequências mais altas implicam comprimentos de onda mais curtos para um dado v
. "Alta frequência" também implica "alta energia"; isto é, a energia eletromagnética E
em joules (J) é proporcional a f
, através de um fator chamado constante de Planck h
(\u003d 6,62607 × 10 ^{- 34 J).}