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Princípios de física
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Heinrich Rudolf Her tz Físico alemão (1857–1894)
Hertz fez sua descoberta mais importante de ondas eletromagnéticas em 1887. Após descobrir que a velocidade de uma onda eletromagnética era a mesma que a da luz, mostrou que as ondas eletromagnéticas, assim como as ondas de luz, podem ser refletidas, refratadas e difratadas. O hertz, igual a uma vibração completa, ou ciclo por segundo, é nomeado em sua homenagem.
Como L e C são pequenos no aparato de Hertz, a frequência de oscilação é alta, da ordem de 100 MHz. As ondas eletromagnéticas são irradiadas nessa frequência como resultado da oscilação (e, portanto, aceleração) de cargas livres no circuito transmissor. Hertz conseguiu detectá-las utilizando um circuito simples de fio com seu próprio intervalo de faíscas (receptor). Tal circuito receptor, colocado a muitos metros do transmissor, tem a própria indutância efetiva, capacitância e frequência natural de oscilação. No experimento de Hertz, as faíscas foram induzidas no intervalo dos eletrodos receptores quando a frequência do receptor foi ajustada para ser compatível com a do transmissor. Desta maneira, Hertz demonstrou que a corrente oscilante induzida no receptor foi produzida pelas ondas eletromagnéticas irradiadas pelo transmissor. Sua experiência é análoga ao fenômeno mecânico no qual um diapasão responde às vibrações acústicas de outro idêntico que está oscilando. Ademais, Hertz mostrou, em uma série de experimentos, que a radiação gerada por esse dispositivo de intervalo de faíscas exibia as propriedades de interferência de onda, difração, reflexão, refração e polarização, que são, todas, propriedades exibidas pela luz, conforme veremos neste capítulo e nos Capítulos 25 a 27. Portanto, ficou evidente que as ondas de radiofrequência que Hertz estava gerando tinham propriedades semelhantes àquelas das ondas de luz, e que eram diferentes somente na frequência e no comprimento de onda. Talvez seu experimento mais convincente tenha sido a medição da velocidade dessa radiação. Ondas de frequência conhecida eram refletidas de uma folha de metal e criavam um padrão de interferência de onda estável cujos pontos nodais poderiam ser detectados. A distância medida entre os pontos nodais permitiu a determinação do comprimento de onda l. Utilizando a relação v 5 lf (Eq. 13.12), Hertz descobriu que v estava próxima de 3 3 108 m/s, a velocidade conhecida c da luz visível.
PENSANDO EM F Í S I C A 24.1
Na transmissão de rádio, uma onda de rádio serve como uma onda portadora, e a onda de som é sobreposta nesta última. Na modulação de amplitude (rádio AM), a amplitude da onda portadora varia de acordo com a onda de som. (A palavra modulação significa “alteração”.) Na modulação de frequência (rádio FM), a frequência da onda portadora varia de acordo com a de som. Às vezes, a marinha utiliza luzes piscantes para enviar código Morse aos navios vizinhos, um processo semelhante à transmissão de rádio. Este processo é AM ou FM? O que é frequência portadora? O que é frequência do sinal? O que é antena de transmissão? O que é antena receptora?
S
E
S
B
S
c
x
Figura Ativa 24.4 Os campos em uma onda eletromagnética se desloc na direção cando a uma velocidade : x positiva em um ponto no eixo x. Estes campos dependem somente de x e t.
Principios da fisica V_4.indb 8
Morse é uma drástica modulação de amplitude por conta de esta desta variar entre um valor máximo e zero. Neste sentido, é semelhante ao código binário alternado utilizado em computadores e discos rígidos. A frequência portadora é aquela com luz visível, da ordem de 1014 Hz. A frequência do sinal depende da habilidade do operador do sinal, mas é da ordem de poucos hertz, conforme a luz acende e apaga. A antena de transmissão para este sinal modulado é o filamento da lâmpada incandescente na origem do sinal. A antena receptora é o olho. b
24.3 | Ondas eletromagnéticas
y
z
Raciocínio O piscar da luz de acordo com o código
Na sua teoria unificada do eletromagnetismo, Maxwell mostrou que os campos elétricos e magnéticos dependentes do tempo são compatíveis com a equação de onda linear. (A equação de onda linear para ondas mecânicas é a 13.20.) A descoberta mais significante desta teoria é a previsão da existência de ondas eletromagnéticas. As equações de Maxwell preveem que uma onda eletromagnética consiste de campos elétricos e magnéticos oscilantes. Os campos variáveis induzem um ao outro, que mantêm a propagação da onda; um campo elétrico variável induz um campo magnético, e um campo magnético variável induz um campo elétrico. Os : vetores : E e B são perpendiculares um ao outro e à direção de propagação, conforme indicado na Figura Ativa 24.4, em um instante no tempo em um ponto no : : espaço. A direção da propagação é a direção do produto de vetorial E 3 B, que devemos explorar de modo mais completo na Seção 24.4.
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