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Campo magnético criado por um íman:

Um íman cria à sua volta um campo magnético.

Os ímanes têm dois polos – o polo norte e o polo sul - na vizinhança dos quais a força magnética é mais intensa.

Não existem polos magnéticos isolados - estes ocorrem sempre aos pares.

A interação entre os polos de dois ímanes é uma interação à distância

Dois ímanes exercem entre si forças de atração magnética entre polos magnéticos diferentes

Polos magnéticos de nome diferente atraem-se

Dois ímanes exercem entre si forças de repulsão magnética entre polos magnéticos iguais

Polos magnéticos do mesmo nome repelem-se

Campo magnético e linhas de campo magnético

À volta do íman, a limalha de ferro alinha-se segundo a direção do campo magnético, como pequenas agulhas magnéticas.

A unidade SI de campo magnético é o tesla (símbolo T).

Um campo magnético pode ser representado por linhas de campo.

As linhas de campo do campo magnético:

 são sempre tangentes, em cada ponto, ao campo magnético e indicam a direção e o sentido do campo;

 orientam-se do polo norte do íman para o polo sul do mesmo;

 apresentam maior densidade nas zonas onde o campo magnético é mais intenso;

 nunca se cruzam.

As linhas de campo do campo magnético:

 são sempre tangentes, em cada ponto, ao campo magnético e indicam a direção e o sentido do campo;

 orientam-se do polo norte do íman para o polo sul do mesmo;

 apresentam maior densidade nas zonas onde o campo magnético é mais intenso;

 nunca se cruzam.

Campo magnético criado por uma corrente elétrica

Campo magnético criado por uma corrente elétrica num fio condutor longo e retilíneo

A intensidade do campo magnético, num ponto, depende da corrente elétrica e da distância do ponto ao fio condutor: quanto maior for a distância, menos intenso é o campo magnético nesse ponto.

As linhas de campo do campo magnético criado por uma corrente elétrica num fio condutor longo e retilíneo:

 são circulares, centradas no fio, e encontram-se em planos perpendiculares ao fio condutor;

 o sentido depende do sentido da corrente elétrica que cria o campo magnético e pode ser obtido pela regra da mão direita.

Campo magnético criado por uma corrente elétrica numa espira circular

A intensidade do campo magnético, num ponto exterior à espira, depende da corrente elétrica e da distância do ponto à espira circular.

As linhas de campo do campo magnético criado por uma corrente elétrica numa espira circular:

 são linhas curvas fechadas que se encontram em planos perpendiculares ao plano da espira;

 o seu sentido, que depende do sentido da corrente elétrica que cria o campo magnético, pode ser obtido pela regra da mão direita

Campo magnético criado por um solenoide percorrido por uma corrente elétrica

A intensidade do campo magnético é constante no interior do solenoide; depende do número de espiras e da corrente elétrica que as percorre.

Um solenoide comporta-se como um íman em barra.

As linhas de campo magnético no exterior de um solenoide, são semelhantes às linhas de campo magnético de um íman em barra com as mesmas dimensões.

Fluxo do campo magnético

O fluxo do campo magnético através de uma espira é igual ao produto do módulo do campo magnético pela área da superfície delimitada pela espira e pelo cosseno do ângulo que o vetor unitário, perpendicular à superfície da espira, faz com a direção do campo magnético.

O fluxo do campo magnético, simbolizado por Φ, tem como unidade SI o weber (símbolo Wb).

O fluxo do campo magnético que atravessa uma espira é:

máximo, se α = 0°  cos α = 1; a superfície delimitada pela espira é perpendicular à direção do campo magnético. Neste caso, é Φ = B A.

Fluxo magnético máximo

nulo, se α = 90°  cos α = 0; a superfície delimitada pela espira não é atravessada por linhas de campo. Neste caso, é Φ = 0.

Fluxo magnético nulo

Indução eletromagnética

A indução eletromagnética consiste na produção de uma força eletromotriz induzida por variação do fluxo do campo magnético através de um circuito.

Por exemplo, o movimento de um íman em relação a uma bobina de fio condutor ou de uma bobina (ou espira) de fio condutor em relação a um íman, havendo variação de fluxo magnético, produz uma corrente elétrica induzida.

Quanto mais rápido for o movimento do íman em relação à bobina ou vice-versa, maior é a corrente elétrica induzida.

Lei de Faraday

De acordo com a Lei de Faraday, o módulo da força eletromotriz induzida é igual ao módulo da variação do fluxo magnético, por unidade de tempo.

É assim possível produzir correntes elétricas induzidas, em circuitos fechados, variando o fluxo do campo magnético criado por ímanes.

Mas, se o fluxo do campo magnético criado por um fio condutor percorrido por uma corrente elétrica variar, também é possível produzir uma corrente elétrica induzida num circuito fechado que se encontre próximo do primeiro.

Portanto, o primeiro circuito percorrido por uma corrente elétrica induz uma corrente elétrica num segundo circuito, onde a corrente elétrica era nula.

Reflexão da luz

O tipo de reflexão sofrida pela luz depende das características da superfície sobre a qual a luz incide. Assim:

Nas superfícies não polidas, ocorre predominantemente a reflexão irregular ou difusa da luz.

Nas superfícies polidas, ocorre predominantemente a reflexão regular ou especular da luz.

A reflexão irregular da luz e a reflexão regular ocorrem sempre em simultâneo, embora predomine uma delas, conforme a superfície seja mais ou menos polida.

Leis da reflexão da luz

O ângulo de incidência, ângulo que o raio incidente faz com a normal à superfície, no ponto de incidência, é igual ao ângulo de reflexão, ângulo que o raio refletido faz com a normal à superfície, no ponto de incidência.

O raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano.

Reflexão de uma onda eletromagnética

Na reflexão de uma onda eletromagnética, as ondas incidente e refletida:

têm a mesma frequência;

têm a mesma velocidade de propagação;

têm o mesmo comprimento de onda;

a intensidade da onda refletida é sempre menor do que a intensidade da onda incidente.

Refração da luz

A refração da luz ocorre sempre que a luz passa de um meio transparente para outro diferente do primeiro, sendo a sua velocidade de propagação nestes meios diferente. Nestas circunstâncias, a luz muda, em geral, a sua direção de propagação.

Refração de uma onda eletromagnética

Na refração de uma onda eletromagnética, as ondas incidente e refratada:

têm a mesma frequência;

têm velocidades de propagação diferentes;

têm comprimentos de onda diferentes;

a intensidade da onda refratada é sempre menor do que a intensidade da onda incidente.

Índice de refração

O índice de refração da luz num determinado meio é igual à razão entre a velocidade de propagação da luz no vácuo (meio de referência) e a sua velocidade de propagação num dado.

n=cv�=��

Como c é o valor da velocidade de propagação da luz no vácuo, é sempre

c>v �>�

. Logo, o indice de refração é sempre superior a 1.

n>1 �>1

O índice de refração da luz num meio indica, portanto, quantas vezes a velocidade da luz no vácuo é superior à velocidade da luz no meio considerado.

Índices de refração e velocidades de propagação

O índice de refração da luz num meio e a sua velocidade de propagação nesse meio são inversamente proporcionais.

nAnB=cvAcvB=nAnB=vBvB����=������=����=����

Índices de refração e comprimentos de onda

O índice de refração da luz monocromática num meio e o seu comprimento de onda nesse meio são inversamente proporcionais.

nAnB=λBfλAf=nAnB=λBλA����=𝜆��𝜆��=����=𝜆�𝜆�

Leis da refração da luz (Leis de Snell-Descartes)

O ângulo de incidência,

θ1 𝜃1

, e o ãngulo de refração,

θ2 𝜃2

, relacionam-se pela expressão:

n1sin1=n2sin2�1sin⁡1=�2sin⁡2

onde n1 e n2 são os índices de refração dos meios.

O raio incidente, o raio refratado e a normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano.

Reflexão total da luz

Quando a luz passa de um meio transparente para outro onde a sua velocidade de propagação é maior e, portanto, o seu índice de refração é menor, pode não ocorrer refração da luz.

Por exemplo, quando a luz passa do vidro para o ar, verifica-se que ela se reflete (em parte) e se refrata, afastando-se da normal. À medida que o ângulo de incidência aumenta, o ângulo de refração também aumenta, até que a partir de um determinado ângulo de incidência, designado por ângulo-limite ou ângulo crítico, a luz deixa de sofrer refração, passando a haver apenas reflexão.

Diz-se que ocorre o fenómeno da reflexão total da luz.

Considere-se um raio luminoso que passa de um meio mais denso (meio 1) para um meio menos denso (meio 2).

A trajetória deste raio, quando incide na superfície de separação dos dois meios transparentes, depende do valor do ângulo de incidência.

para um determinado valor do ângulo de incidência, ocorrem os fenómenos da reflexão e da refração da luz (e também uma parte é absorvida);

para um valor do ângulo de incidência igual ao chamado ângulo crítico (ou ângulo-limite), o raio incidente refrata-se, com um ângulo de refração de 90°. Também ocorre a reflexão da luz (e também uma parte é absorvida);

quando o valor do ângulo de incidência é superior ao valor do ângulo crítico, não ocorre o fenómeno da refração da luz. Toda a luz se reflete (e também uma parte é absorvida). Dá-se a reflexão total da luz.

Ângulo crítico (ângulo – limite)

É o ângulo de incidência, ao qual corresponde um ângulo de refração de 90° (verifica-se quando a luz passa de um meio mais denso para um meio menos denso).

Sabendo o índice de refração de um material, é possível determinar o valor do ângulo crítico desse material.

Considere-se um raio luminoso que passa de um meio mais denso (meio 1) para um meio menos denso (meio 2)

:

A partir da lei de Snell-Descartes, vem:

n1sin1=n2sin2

O valor do ângulo de incidência é igual ao valor do ângulo critico;

O valor do ângulo de refração é de 90°.

Então:

n1×sinθc=n2×sin90º

<=>

n1× sinθc=n2

<=>

sinθc=n2n1

Como n2 é aproximadamente igual a 1,0 e o índice de refração do vidro é 1,5, obtém-se:

sinθc=1,01,5=0,67

<=>

θc=42º

O valor do ângulo crítico (ou ângulo-limite) do vidro é de 42°

São um poderoso meio de comunicação a longas distâncias.

Servem, por exemplo, para efetuar chamadas telefónicas.

Princípio de Funcionamento: baseia-se no fenómeno da reflexão total da luz.

É possível transmitir informação através de pulsos de luz (luz laser).

Estes pulsos luminosos são convertidos em sinais elétricos no destino dessas fibras.

São constituídas por um núcleo cilíndrico central (de vidro ou de plástico), flexível e altamente transparente, de índice de refração elevado. O revestimento é de um material de menor índice de refração; o conjunto encontra-se envolvido por uma camada protetora.

A luz propaga-se através do interior da fibra ótica sofrendo sucessivas reflexões totais: a luz, incidindo nas paredes do núcleo com um ângulo superior ao ângulo crítico, propaga-se a grandes distâncias por sucessivas reflexões totais nas paredes interiores do núcleo.

Difração da luz

A difração de uma onda é o fenómeno que ocorre quando a onda contorna um obstáculo, orifício ou fenda. Este fenómeno observa-se quando o tamanho do obstáculo, orifício ou fenda é da ordem de grandeza do comprimento de onda da onda.

Na figura podemos ver o fenómeno da difração obtida numa tina de ondas, quando uma frente de onda plana encontra um obstáculo com uma pequena abertura.

Quando a abertura da fenda no obstáculo é superior ao comprimento de onda da onda que se propaga, a difração é pequena; as frentes de onda encurvam ligeiramente nas extremidades.

Quando a abertura da fenda é da mesma ordem de grandeza do comprimento de onda da onda que se propaga, o fenómeno de difração é acentuado; as ondas que atravessam a fenda são, praticamente, circulares propagando-se para todos os lados.

A difração ocorre com todo o tipo de ondas, incluindo ondas sonoras, ondas na água e ondas eletromagnéticas, como a luz visível, raios X e ondas de rádio.

A difração ocorre com as ondas sonoras, pois são ondas com comprimentos de onda grandes, aproximadamente entre  = 2 cm e  = 20 m. Daí conseguirmos ouvir sons mesmo sem vermos a fonte sonora, pois as ondas sonoras contornam esquinas, paredes, pessoas, árvores, atravessam portas e janelas e quaisquer outros obstáculos com dimensões semelhantes.

O facto de a luz visível, por exemplo, não contornar facilmente obstáculos tem a ver com o seu comprimento de onda. A difração da luz visível raramente se observa no dia a dia, pois as aberturas ou fendas são muito maiores do que o comprimento de onda da luz (visível), que é muito pequeno; é da ordem de grandeza de 10-7m.

Quando ocorre o fenómeno da difração:

A frequência da onda difratada não se altera;

 Se o meio for o mesmo, a velocidade de propagação da onda difratada também é a mesma;

 Se a velocidade de propagação se mantiver, o comprimento de onda da onda difratada também se mantém.

Ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos de onda e difração

A difração é um fenómeno que ocorre com todo o tipo de ondas - ondas sonoras e ondas eletromagnéticas, entre outras.

As ondas de rádio, devido ao seu grande comprimento de onda, contornam facilmente obstáculos de grandes dimensões, como edifícios, montanhas, etc., devido à difração. São as ondas eletromagnéticas que melhor se difratam; são muito utilizadas em comunicações.

As micro-ondas, com menor comprimento de onda que as ondas de rádio, quase não se difratam, propagando-se em linha reta.

As ondas eletromagnéticas de pequeno comprimento de onda praticamente não se difratam em obstáculos ou fendas percetíveis pelo ser humano, dado o seu pequeníssimo comprimento de onda.

Contudo, radiações como os raios X, são utilizadas na investigação sobre a estrutura da matéria, já que, num cristal, o espaçamento entre os átomos é da ordem de grandeza do comprimento de onda dos raios X (λ≈0,1 nm).

Foi a técnica de difração de raios X que tornou possível desvendar a estrutura do ADN.

Redes de difração

Uma rede de difração é um pequeno dispositivo que possui um número muito elevado de fendas ou ranhuras paralelas e equidistantes, que desviam a luz do seu trajeto, difratando-a.

O método da espetroscopia com redes de difração pode ser utilizado na indústria e em laboratórios de análise para identificar elementos químicos (com base na dispersão da luz policromática que eles originam) e determinar a composição química de substâncias.

Em astrofísica, o conhecimento da composição química das estrelas é obtido por espetroscopia, através do espetro obtido pela luz da estrela, após atravessar um prisma ou uma rede de difração.

As redes de difração permitem, por exemplo, determinar o comprimento de onda de um feixe de luz laser.

Consideremos um feixe de luz laser a incidir perpendicularmente a uma rede de difração, onde a largura das fendas é muito pequena e estas se encontram igualmente espaçadas.

Nestas condições, o feixe de luz é difratado, podendo observar-se um padrão de pontos luminosos no alvo onde se projeta a luz difratada.

A utilização das ondas eletromagnéticas nas comunicações

As comunicações por ondas eletromagnéticas fazem-se sobretudo na banda do espetro das ondas de rádio e micro-ondas.

As ondas de radiofrequência utilizadas nas comunicações correspondem a radiações do espetro eletromagnético com frequências entre os 3 kHz e os 300 GHz.

Efeito Doppler

O efeito Doppler é o efeito que está associado à variação de frequência observada quando a fonte e o observador se encontram em movimento um em relação ao outro.

Efeito Doppler no caso do som

No caso do som, este torna-se mais alto (com maior frequência) à medida que a fonte sonora se aproxima do observador e torna-se mais baixo (com menor frequência) à medida que a fonte sonora se afasta do observador.

A fonte sonora encontra-se em repouso relativamente ao observador

A fonte sonora afasta-se do observador A

Efeito Doppler no caso da luz

No caso da luz, quando o emissor se aproxima do recetor, este deteta uma luz de frequência superior à frequência da luz emitida (desvio para o violeta) e, quando o emissor se afasta do recetor, este deteta uma luz de frequência inferior à frequência da luz emitida (desvio para o vermelho).

As ondas eletromagnéticas e o conhecimento do Universo

Edwin Hubble (1889-1953), astrónomo norte-americano do século XX, observou um desvio para o vermelho no espetro de emissão da luz proveniente das galáxias. Explicou este fenómeno utilizando o efeito Doppler, o que lhe permitiu concluir que as galáxias estão a afastar-se muito rapidamente umas das outras.

As evidências principais do Big Bang são o afastamento das galáxias detetado pelo desvio para o vermelho nos seus espetros de emissão (efeito Doppler) e a existência da radiação cósmica de fundo, que se espalhou pelo Universo quando se formaram os primeiros átomos no Universo primordial.