A Lei de Biot-Savart diz que uma corrente elétrica correndo em um fio gera campo magnético, que pode ser detectado por uma bússola localizada próxima ao fio. Imaginemos então a seguinte situação: um fio condutor bastante longo carrega uma corrente; porém, uma boa parte deste fio, que esteja bem próxima de onde medimos o campo magnético com a bússola, está dentro de um tubo opaco, de forma que não possamos vê-lo. Mas aparentemente a corrente continua passando por lá, pois a medimos com um amperímetro ligado ao circuito. Além disso, medimos o campo magnético na bússola. Tudo indica que, de fato, há um fio que carrega uma corrente pelo interior do tubo.
Mas, ao retirarmos o tubo opaco, percebemos que fomos enganados, pois o tubo na verdade formava um grande e longo capacitor, onde cargas positivas estavam sendo acumuladas em um lado, e cargas negativas no lado oposto. Este acúmulo permitia que o amperímetro continuasse medindo a corrente, mesmo que nenhuma corrente estivesse fluindo dentro do tubo. Mas se não há corrente, porque continuamos medindo um campo magnético com a bússola?
Maxwell foi o primeiro a perceber que havia algum elemento faltando na Lei de Biot-Savart, concluindo que, além de correntes elétricas, variações do campo elétrico também geram campos magnéticos. Ou seja, dentro do capacitor não há corrente elétrica, mas, como cargas positivas e negativas estão sendo acumuladas, o campo elétrico está crescendo. Portanto, temos uma equação análoga à Lei de Indução de Faraday, mas invertendo os papéis dos campos elétrico e magnético – variações do campo elétrico geram um campo magnético.
O único pecado de Maxwell foi sugerir que, no fundo, este termo poderia ser explicado por uma corrente vinda da polarização do éter, e cunhou o termo “corrente de deslocamento” para ele. Mas não há de fato corrente fluindo, e o termo adotado acabou por ser um pouco enganoso. Uma discussão detalhada deste termo pode ser encontrada na sexta aula do material disponibilizado aqui.
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A importância deste novo termo nas equações é gigantesca. Pode ocorrer de certa configuração de cargas e correntes elétricas gerar campos elétricos e magnéticos que variam com o tempo. Se, em algum momento, desligarmos as corrente elétricas e descarregarmos todas as cargas elétricas, mesmo assim os campos elétricos e magnéticos não morrem, pois a variação de campo elétrico gera campo magnético que, variando, gera campo elétrico, e assim por diante. Cria-se um sistema que se autoalimenta e se desacopla das cargas e correntes que o geraram, denominado onda eletromagnética.
Voltemos ao nosso circuito LC, no qual as cargas acumuladas nos capacitores, assim como a corrente fluindo pelo indutor, estão variando no tempo. Portanto, o efeito de autoalimentação de campos eletromagnéticos está presente, e ondas eletromagnéticas estão sendo geradas. Para um circuito montado com indutores e capacitores, que podem ser encontrados em laboratórios de informática, a frequência característica varia de 10 a 10.000 Hz.
Mas é possível produzir estas oscilações eletromagnéticas com uma frequência muito mais alta, em outros tipos de montagem. Se esta frequência de oscilação está entre os valores de 400 e 800 THz (lê-se Tera-Hertz, o que corresponde a 1012 Hz), ou seja, oscilando de 400 a 800 trilhões de vezes por segundo, temos um nome especial para estas ondas eletromagnéticas. Alguém já percebeu onde quero chegar?
Antes de responder, gostaria de ressaltar algo incrível em relação a estas ondas eletromagnéticas. Este curso está sendo bastante qualitativo, passando quando possível ao largo das equações. Mas, em um tratamento analítico mais detalhado, há uma constante fundamental que sempre acompanha as contas que envolvem campo elétrico: a permissividade elétrica [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?\epsilon_o[/tex] (ver, por exemplo, o tratamento analítico da Lei de Gauss). E nas contas que envolvem campos magnéticos sempre aparece outra constante fundamental, a permeabilidade magnética [tex]https://autoria.ggte.unicamp.br/cgi-bin/mimetex.cgi?\mu_o[/tex] (ver a Lei de Biot-Savart). Os seus valores numéricos são:
O grande número de casas decimais na permissividade elétrica reflete a precisão dos experimentos que mediram seu valor. Já a permeabilidade magnética é definida por este valor.
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Do tratamento analítico das Equações de Maxwell, tira-se que as ondas eletromagnéticas se propagam no espaço com uma velocidade específica, que pode ser calculada através de uma combinação destas duas constantes:
Fazendo a conta, obtemos o valor de v=299.792.458 metros por segundo, que é exatamente a velocidade de propagação da luz no vácuo. Este valor levou Maxwell a declarar:
“Dificilmente podemos evitar a inferência de que a luz consiste de ondulações transversais do mesmo meio que é a causa de fenômenos elétricos e magnéticos.”
Hoje já podemos ser menos cautelosos e declarar que a luz é uma onda eletromagnética. Respondendo portanto à pergunta: uma oscilação eletromagnética, com frequência entre 400 e 800 THz, é o que chamamos de luz visível.
Mas a frequência da luz visível é apenas uma pequena faixa entre as muitas frequências possíveis para as ondas eletromagnéticas, que podem ir de 100 a 1020 Hz. Chamamos as ondas com frequências mais baixas de ondas de rádio, as mais altas de raios X, passando pelas micro-ondas, infravermelho e ultravioleta. Todas estas ondas são oscilações eletromagnéticas, diferindo entre si pela frequência de oscilação.
A faixa de frequência mais utilizada para telecomunicações são as ondas de rádio, tema ao qual nos dedicaremos a seguir.
