Ondas eletromagnéticas: do fenômeno à luz e ao espectro

O que é uma onda eletromagnética?

Uma onda eletromagnética é um campo elétrico variável que gera um campo magnético variável, e vice-versa: os dois se sustentam um ao outro, e essa perturbação se propaga pelo espaço, no vácuo, a 300 mil km/s, a velocidade da luz.

A onda eletromagnética é a forma mais complexa de entrelaçamento da eletricidade e do magnetismo. Não é um campo parado nem um raio sólido: é uma onda que caminha carregando energia.

E o mais doido é isto: a luz que você enxerga, o wi-fi do seu celular e o raio-X do hospital são todos a mesma onda. Muda só a frequência.

Nesta página eu construo o porquê do zero, como a onda surge, como ela viaja, o espectro inteiro (do rádio ao raio gama) e por que a luz é uma delas. Começa por este vídeo que eu gravei sobre o assunto.

Como surge uma onda eletromagnética?

A onda eletromagnética surge de uma corrente de sacadas, e a primeira é de 1819. O fundador do eletromagnetismo, Ørsted, em 1819, conectou essas duas ciências ao mostrar que cargas elétricas em movimento criam os efeitos magnéticos.

O passo seguinte é a indução. Michael Faraday, em 1831, descobre que uma variação do fluxo magnético no interior de um circuito fechado pode originar uma corrente elétrica induzida ao longo desse circuito. Ou seja: variação de campo magnético cria campo elétrico.

Pensa comigo: se cada campo cria o outro quando varia, você tem um ciclo que não precisa de empurrão externo, nasce a onda que se autossustenta. Maxwell juntou essas pontas e criou a novidade da onda eletromagnética, e Hertz comprovou em 1888, fabricando ondas eletromagnéticas artificialmente.

Não é data pra decorar. É esse encadeamento que faz a onda existir: uma sacada leva à outra até a onda aparecer. Guarda a lógica, não a lista de nomes.

Como a onda eletromagnética se propaga?

A onda eletromagnética é transversal e não precisa de meio material para existir: ela se propaga até no vácuo. É assim que a luz do Sol atravessa o espaço vazio e chega até você.

Transversal quer dizer que os campos oscilam perpendicularmente à direção em que a onda caminha. Arago postulou, junto de Fresnel, a transversalidade da onda luminosa, com movimentos de vibração do éter de Aristóteles e de propagação da luz em direções perpendiculares.

E, num meio homogêneo, a onda anda reto: as ondas eletromagnéticas, como a luz visível e as ondas de rádio, viajam em linha reta em um meio homogêneo.

Repara na diferença pro som, que precisa de ar pra vibrar. A onda eletromagnética carrega energia sozinha, sem carona, porque quem oscila são os próprios campos elétrico e magnético, não as partículas de um meio.

A que velocidade a onda viaja?

No vácuo, toda onda eletromagnética viaja na mesma velocidade: a da luz, $c \approx 3 \times 10^8$ m/s. E isso não foi chute.

Quando Maxwell fez a conta, ele concluiu que a velocidade de propagação do campo eletromagnético no espaço vazio ou no éter deveria ser o inverso da raiz quadrada do produto das constantes elétrica e magnética. O resultado obtido para a velocidade de propagação do campo eletromagnético foi de 300 mil km por segundo, exatamente o valor da velocidade da luz no vácuo.

A relação que liga tudo é a equaçãozinha fundamental da ondulatória:

Pra uma onda de rádio FM de 100 MHz, por exemplo, o comprimento de onda sai de $\lambda = c/f = (3 \times 10^8)/(1 \times 10^8) = 3$ metros.

Sacou a lógica? A velocidade é fixa no vácuo, então frequência alta significa comprimento de onda curtinho, e vice-versa.

O que é o espectro eletromagnético?

O espectro eletromagnético é a coleção inteira de ondas eletromagnéticas organizada por frequência: rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama são a mesma onda, muda só a frequência (e, junto, o comprimento de onda).

É aqui que cai a ficha. Inclusive diferentes cores, quando a gente fala em termos de onda eletromagnética, diferentes cores significam diferentes frequências, né? Então o azul tem uma certa frequência, o vermelho tem uma certa frequência. Por isso que a gente enxerga eles de cores diferentes.

Da frequência mais baixa pra mais alta, é tudo a mesma onda:

A luz que você enxerga é só uma janelinha minúscula de tudo isso, beleza? Todo o resto do espectro é onda eletromagnética que os seus olhos não captam.

A luz é uma onda eletromagnética?

A luz é sim uma onda eletromagnética, uma faixa estreita do espectro, a que os seus olhos captam.

Antes disso, a luz já vinha sendo entendida como onda. Em 1850, Foucault mediu a velocidade da luz na água e o seu valor era menor do que no ar, o que decidiu o velho debate a favor da teoria ondulatória.

A luz, portanto, se comporta como uma onda, mas essa onda continua misteriosa: dizem que ela é eletromagnetica. Pois é isso mesmo: a luz do seu quarto é uma onda eletromagnética na faixa visível.

Onde aparecem no seu dia a dia?

As ondas eletromagnéticas fazem o seu dia funcionar, cada aparelho numa faixa do espectro. A tecnologia conseguiu dominar o movimento de cargas elementares e controlar o campo magnético em dispositivos que vão de um eletroímã de alto falante até um acelerador de partículas, e boa parte deles está na sua mão agora.

Traduzindo pro seu dia:

• Onda de rádio, chega longe mesmo com a curvatura da Terra no caminho porque reflete na ionosfera, a camada lá no alto da atmosfera, e vai "quicando" até o destino.
• Sintonia do rádio e da TV, mudar de estação é escolher uma frequência específica pra receber só a onda que você quer.
• Wi-fi e 4G/5G, carregam os seus dados por onda eletromagnética.
• Forno de micro-ondas, agita as moléculas de água do alimento e aquece de dentro pra fora.
• Controle remoto, manda um pulso de infravermelho pra TV.

É tudo a mesma onda que a gente construiu lá em cima, só que em frequências diferentes.

Qual a diferença da onda mecânica?

A diferença que separa as duas em uma frase: a onda eletromagnética não precisa de meio material para se propagar; a onda mecânica precisa.

É por isso que a luz do Sol atravessa o vácuo do espaço e chega até você, mas o som de uma explosão no espaço nunca chegaria, sem ar, o som não caminha.

A onda mecânica (som, onda numa corda, onda no mar, terremoto) é a vibração de um meio: precisa de partículas para passar o movimento adiante. A onda eletromagnética é a vibração dos próprios campos elétrico e magnético, que se sustentam sozinhos e não dependem de nada material.

As duas obedecem à mesma $v = \lambda \cdot f$, mas a eletromagnética viaja no vácuo à velocidade da luz, enquanto a mecânica anda muito mais devagar e depende do meio.

Exercício resolvido de onda eletromagnética

Vem comigo resolver do jeito que cai na prova. Numa questão de ENEM, o enunciado diz: em viagens de avião, é solicitado aos passageiros o desligamento de todos os aparelhos cujo funcionamento envolva a emissão ou a recepção de ondas eletromagnéticas.

Quando a questão pede conta, o caminho é sempre $v = \lambda \cdot f$:

1. Identifica o que o enunciado deu, a frequência ou o comprimento de onda.
2. Lembra que, no vácuo, $v = c \approx 3 \times 10^8$ m/s.
3. Isola o que falta na equação e resolve.

Seu próximo passo em ondulatória

Onda eletromagnética não é uma ilha, é uma parada num caminho maior de física de ondas. Você já entendeu o que ela é, como se propaga e onde aparece; agora é seguir o fio.

Os próximos passos, na ordem que eu recomendo:

• Óptica, se você quer entender por que a luz reflete, refrata e forma as cores, é aqui que a onda eletromagnética vira imagem, arco-íris e lente.
• Eletromagnetismo, pra ir mais fundo em como carga em movimento e campo variável geram tudo isso, do começo.
• Mais exercícios de ondulatória, onde a $v = \lambda \cdot f$ reaparece em reflexão, refração e interferência, do jeito que cai na prova.

Pensa nesta página como o nó que amarra a onda eletromagnética ao resto do assunto. Deixo os links dos próximos temas aqui embaixo pra você não perder o embalo.

Eletromagnetismo: carga e campo do começo Mais exercícios: fenômenos ópticos resolvidos

Perguntas frequentes sobre ondas eletromagnéticas