Ondas eletromagnéticas

Este resumo segue a ordem das Aprendizagens Essenciais: espetro eletromagnético, reflexão, absorção e transmissão, refração, reflexão total, difração e efeito Doppler. A luz é uma onda eletromagnética, por isso volta aqui tudo o que aprendeste em "Sinais e ondas": o período, a frequência, o comprimento de onda, a velocidade, e a frequência que se mantém quando a onda muda de meio.

1. Espetro eletromagnético

As ondas eletromagnéticas são transversais e não precisam de meio material. No vácuo, todas se propagam com a mesma velocidade, $c = 3{,}00 \times 10^{8}$ m s$^{-1}$.

Por ordem crescente de frequência, as radiações são: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama. Quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda. A luz visível vai de cerca de 400 nm (violeta) a 700 nm (vermelho).

2. Reflexão, absorção e transmissão

Quando a radiação incide numa superfície, parte pode ser refletida, parte absorvida e parte transmitida. A energia incidente reparte-se assim:

O albedo é a fração (ou percentagem) da radiação solar que um planeta reflete. Na Terra, o albedo médio é cerca de 30%.

Leis da reflexão:

• 1.ª lei: o raio incidente, o raio refletido e a normal estão no mesmo plano.
• 2.ª lei: o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência.

3. Refração

A refração é o desvio que uma onda eletromagnética sofre quando muda de meio. O índice de refração de um meio mede quanto a luz é mais lenta nesse meio do que no vácuo.

Para isolar o que é pedido: o índice do segundo meio é $n_2 = \dfrac{n_1 \sin\alpha_1}{\sin\alpha_2}$, e o ângulo de refração é $\alpha_2 = \sin^{-1}\!\left(\dfrac{n_1 \sin\alpha_1}{n_2}\right)$.

4. Reflexão total e fibra ótica

A reflexão total só pode acontecer quando a luz passa de um meio com maior índice de refração (onde é mais lenta) para um meio com menor índice. Nessa situação, o ângulo de refração é maior do que o ângulo de incidência. Se aumentares o ângulo de incidência, o de refração aumenta até chegar a $90^\circ$.

O ângulo crítico $\alpha_c$ é o ângulo de incidência que origina uma refração de $90^\circ$. Se o ângulo de incidência for maior do que o ângulo crítico, o raio deixa de ser refratado e sofre reflexão total. No simulador, usa o botão "Ir ao ângulo crítico".

Fibra ótica. Na fibra ótica, a luz propaga-se no núcleo por múltiplas reflexões. Isto só é possível porque o índice de refração do núcleo é maior do que o do revestimento, e porque o ângulo de incidência na superfície que separa os dois é maior do que o ângulo crítico.

5. Difração

A difração é a capacidade de uma onda contornar obstáculos ou atravessar aberturas, espalhando-se em várias direções. A difração só é apreciável quando a dimensão do obstáculo ou da abertura é da ordem de grandeza do comprimento de onda.

É por isso que ouves alguém atrás de uma esquina mas não o vês: o som tem comprimentos de onda de alguns metros, comparáveis a uma porta, e a luz visível tem comprimentos de onda de centenas de nanómetros.

6. Efeito Doppler

O efeito Doppler é a diferença entre a frequência com que uma onda é emitida e a frequência que o recetor perceciona.

• Quando o emissor se aproxima do recetor, o recetor perceciona um aumento da frequência.
• Quando o emissor se afasta do recetor, o recetor perceciona uma diminuição da frequência.

Exemplo: a sirene de uma ambulância parece mais aguda quando a ambulância se aproxima e mais grave quando se afasta. A frequência emitida pela sirene é sempre a mesma, o que muda é a frequência que ouves.

7. Ondas eletromagnéticas na tecnologia e no Universo

• Comunicações: as ondas de rádio e as micro-ondas transportam sinais de rádio, televisão e telemóvel, e a luz que viaja nas fibras óticas transporta a internet.
• Conhecimento do Universo: a radiação que chega dos astros transporta informação. O espetro da luz de uma estrela permite saber de que elementos é feita, e o efeito Doppler dá informação sobre o seu movimento em relação a nós.
• O conhecimento científico é provisório: os modelos são revistos quando surgem novas observações, e continuam a existir problemas em aberto.

Atividades laboratoriais

Praticar com exames

Os exercícios de exame deste tema têm a resolução passo a passo. Começa pelo item 3.1 da Época Especial de 2025 (a lei de Snell-Descartes, com o ganso-patola), e continua com os exercícios de refração, reflexão total e difração.