Onda Eletromagnética

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Em diversas situações, a luz pode ser descrita como uma onda eletromagnética, isto é, campos elétricos e magnéticos que se propagam e oscilam com uma relação de fase entre si. Essa forma de tratar a luz não dá conta de explicar todos os fenômenos conhecidos na natureza, entretanto. Porém, na interação com sistemas atômicos, ela é suficiente na maioria dos casos em que a intensidade da luz não é muito baixa. Para esses casos, pode ser preciso levar em conta a natureza quântica da luz.

As bases do eletromagnetismo clássico são formados pelas quatro equações de Maxwell, oriundas da contibuição de diversos cientistas como Ampere, Gauss e Faraday, e reunidas por Maxwell no final do século XIX. No sistema internacional de unidades (SI), são elas:

Equações de Maxwell

A primeira delas, em palavras, afirma que a divergência das linhas do campo elétrico é proporcional a densidade de carga da fonte. A segunda equação diz respeito a uma particularidade do campo magnético: suas linhas de campo nunca divergem. Em outras palavras, o fluxo líquido do campo eletromagnético por uma superfície fechada qualquer é sempre nulo. A terceira equação afirma que não apenas densidades de carga são responsáveis pela geração do campo elétrico, mas também campo magnéticos que variam no tempo! A quarta e última equação revela que tanto campo elétricos como cargas que variam no tempo podem ser fontes de campos magnéticos.

Os campos elétricos e magnéticos tem naturezas bem semelhantes, apesar da existência de algumas assimetrias nas equações de Maxwell. Entretanto, na ausência de cargas, essas equações assumem um aspecto  elegantemente simétrico:

Equações de Maxwell

Os campo elétricos e magnéticos se alimentam mutuamente! Nota-se por exemplo que se a derivada do campo magnético não for nula, um campo elétrico é gerado. Se esse campo elétrico gerado tiver dependência temporal, um novo campo magnético é gerado, o que pode reiniciar o ciclo. E possível que essa realimentação mútua se estenda indefinidamente? A resposta é sim, pelo menos no vácuo. Se derivarmos as funçoes sen(x,t) ou cos(x,t) quatro vezes, caimos nas mesmas funções sen(x,t) ou cos(x,t). Esses tipos de soluções para os campos podem fazer as realimentações que eu mencionei se tornarem infinitas.
 
Um tipo de solução particular de onda se propagando numa direção z é dada por

Onda eletromangética

,onde os campos elétricos vibram em direções perpendiculares entre si e em relação ao eixo de propagação. Esse é um caso particular de um conjunto de soluções da equação da onda, chamado de onda plana, devido ao fato de a superfície no qual os campos vibram ser um plano. As equações da onda, derivada diretamente das equações de Maxwell, são dadas por

Equação da onda eletromagnética

As constantes que aparecem nas duas equações indicam a velocidade de propagação dessa onda, "velocidade da luz", que no vácuo, é uma constante:

Velocidade da luz