miniatura|400x200px|Onda eletromagnética com polarização linear que se propaga ao longo do eixo z. E é o campo elétrico e B é o campo magnético, perpendicular a E.

Na física, a radiação eletromagnética ou onda eletromagnética é uma onda do campo eletromagnético que se propaga por si mesma pelo espaço e transporta momento linear e energia radiante. Seu espectro é classificado pela frequência, inversamente proporcional ao comprimento de onda, e abrange ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama. Todas as formas de radiação eletromagnética se propagam à velocidade da luz no vácuo e apresentam dualidade onda-partícula, com comportamento de onda e de partículas discretas chamadas fótons.

A radiação eletromagnética é produzida por partículas carregadas em aceleração. Pode ser emitida pelo Sol e por outros corpos celestes ou gerada artificialmente para diferentes aplicações. Sua interação com a matéria depende do comprimento de onda, que determina seus usos nas comunicações, na medicina, na indústria e na pesquisa científica. As ondas de rádio permitem a radiodifusão e as comunicações sem fio. O infravermelho é usado na termografia, e a luz visível permite a visão. Radiações de maior energia, como os raios X e gama, são usadas em exames de imagem, no tratamento do câncer e na inspeção industrial. A radiação eletromagnética de maior energia, sobretudo na faixa do ultravioleta e acima dela, pode causar efeitos prejudiciais à saúde.

Na mecânica quântica, a radiação eletromagnética também pode ser entendida como um conjunto de fótons, partículas elementares sem carga e com massa de repouso nula. Os fótons são os quanta do campo eletromagnético e são responsáveis por todas as interações eletromagnéticas. A eletrodinâmica quântica explica como a radiação eletromagnética interage com a matéria na escala atômica. Efeitos quânticos também dão origem à radiação, como nas transições de elétrons para níveis de energia mais baixos em um átomo e na radiação de corpo negro.

Física

Natureza eletromagnética da radiação As equações de Maxwell e suas soluções, as equações de Panofsky-Phillips, contêm uma componente do campo elétrico e do campo magnético cuja amplitude diminui na proporção inversa da distância entre a fonte e o observador, . Isso permite que seja detectada a grandes distâncias. Essas componentes são transversais à direção de propagação da radiação, n.

Tem-se , e E e B se relacionam por

Esses campos se propagam pelo espaço à velocidade da luz, de 299.792.458 m/s.

Propriedades miniatura|Comparação dos comprimentos de onda da luz de três cores, azul, verde e vermelho. A escala de distância no eixo x está em micrômetros.

A radiação eletromagnética é produzida por partículas carregadas em aceleração. Pode ser emitida naturalmente, como pelo Sol e por outros corpos celestes, ou gerada artificialmente para diferentes aplicações. A energia das ondas eletromagnéticas também recebe o nome de energia radiante. As ondas eletromagnéticas não precisam de um meio material para transportar energia pelo espaço e se propagam no vácuo à velocidade da luz.

miniatura|Uma onda eletromagnética pode ser visualizada como uma oscilação transversal dos campos elétrico e magnético que se propaga por si mesma. A animação tridimensional mostra uma onda plana com polarização linear que se desloca da esquerda para a direita. Os campos elétrico e magnético estão em fase e atingem seus mínimos e máximos juntos.

Os campos elétricos e magnéticos obedecem ao princípio da superposição. O campo produzido por uma partícula, ou por um campo elétrico ou magnético variável no tempo, soma-se aos campos de outras origens presentes na mesma região do espaço. Como são campos vetoriais, seus vetores se somam pelas regras da adição vetorial. Na óptica, por exemplo, duas ou mais ondas luminosas coerentes podem interagir por interferência construtiva ou destrutiva. A irradiância resultante pode, assim, diferir da soma das irradiâncias de cada onda. Na teoria clássica, a propagação da luz no vácuo não é alterada pela superposição de campos elétricos ou magnéticos estáticos. Em materiais como certos cristais, esses campos podem modificar as propriedades ópticas do meio e alterar a luz que o atravessa, como ocorre no efeito Faraday e no efeito Kerr.

Na refração, uma onda que passa entre meios de índices de refração diferentes muda de velocidade e pode mudar de direção. O desvio depende dos índices de refração e do ângulo de incidência, pela lei de Snell. Na incidência perpendicular à superfície, não há desvio. A luz formada por diferentes comprimentos de onda, como a luz solar, se decompõe em um espectro visível ao passar por um prisma. Isso ocorre porque o índice de refração do material do prisma depende do comprimento de onda, fenômeno chamado dispersão. Cada componente da luz sofre um desvio diferente.

A radiação eletromagnética apresenta propriedades de onda e de partícula ao mesmo tempo, comportamento chamado dualidade onda-partícula. As duas características foram confirmadas em muitos experimentos. A interferência e a difração manifestam o caráter ondulatório, enquanto a troca de energia em quantidades discretas é característica do comportamento quântico da radiação. Quando a matéria absorve radiação eletromagnética, por exemplo, as propriedades corpusculares se tornam mais perceptíveis se o número médio de fótons em um volume igual ao cubo do comprimento de onda considerado for muito menor que 1. É relativamente simples observar em um experimento que a energia não se deposita de maneira uniforme quando a luz é absorvida. Essa observação, por si só, não comprova um comportamento corpuscular da luz, pois decorre da natureza quântica da matéria. A teoria quântica da interação entre a radiação eletromagnética e a matéria, como os elétrons, é a eletrodinâmica quântica.

As ondas eletromagnéticas podem ser polarizadas, refletidas, refratadas ou difratadas, além de interferirem umas com as outras. Certos experimentos manifestam o caráter ondulatório e corpuscular, como a interferência de um único fóton consigo mesmo. Em um interferômetro alimentado por fótons individuais, uma fotomultiplicadora ou outro detector sensível registra cada fóton em uma das saídas do aparelho. Após a recombinação dos feixes, as contagens acumuladas podem formar um padrão de interferência, desde que não haja informação que permita distinguir o caminho percorrido.

Modelo ondulatório miniatura|direita|Vetor do campo elétrico de uma onda eletromagnética com polarização circular. Em meios homogêneos e isotrópicos, a radiação eletromagnética é uma onda transversal. Suas oscilações são perpendiculares à direção de propagação e de transferência de energia. Essa propriedade decorre das equações

Essas equações estabelecem o caráter transversal das ondas eletromagnéticas, nas quais o campo elétrico E e o campo magnético B são perpendiculares à direção de propagação. As intensidades das componentes elétrica e magnética mantêm uma razão fixa para satisfazer as duas equações de Maxwell que determinam como uma é produzida a partir da outra. Em meios sem dissipação, ou sem perdas, os campos E e B também estão em fase e atingem máximos e mínimos nos mesmos pontos do espaço.

Na região de campo distante, a radiação eletromagnética obedece às duas equações de Maxwell para o rotacional em uma região sem fontes. A variação temporal de um dos campos é proporcional ao rotacional do outro. Essas derivadas exigem que os campos E e B da radiação estejam em fase. A frequência é uma das propriedades da luz. Ela corresponde à taxa de oscilação da onda e é medida em hertz, a unidade de frequência do Sistema Internacional. Um hertz equivale a uma oscilação por segundo. Em geral, a luz contém mais de uma frequência, que se somam para formar a onda resultante. Frequências diferentes sofrem refração sob ângulos diferentes, fenômeno chamado dispersão.

Uma onda monocromática, de frequência única, é formada por cristas e vales sucessivos. A distância entre duas cristas ou dois vales adjacentes é o comprimento de onda. As ondas do espectro eletromagnético vão das ondas de rádio, que podem ser mais longas que um continente, aos raios gama, menores que os núcleos atômicos. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda, pela relação

na qual v é a velocidade da onda, igual a c no vácuo e dependente das propriedades do meio material, f é a frequência e λ é o comprimento de onda. Quando as ondas atravessam a fronteira entre meios diferentes, sua velocidade muda, mas sua frequência permanece constante.

O período é o tempo de uma oscilação completa, igual ao tempo que a onda leva para avançar um comprimento de onda. A frequência é seu inverso, . No vácuo, essas grandezas se relacionam por .

As ondas eletromagnéticas no espaço livre devem satisfazer a equação de onda eletromagnética de Maxwell. Há duas classes de soluções, as ondas planas e as ondas esféricas. Uma onda plana pode ser entendida como o caso limite de uma onda esférica a uma distância muito grande da fonte, idealmente infinita. Os dois tipos podem ter uma forma de onda dada por uma função arbitrária do tempo, desde que ela seja diferenciável o suficiente para satisfazer a equação de onda. Como qualquer função do tempo, essa forma pode ser decomposta por análise de Fourier em seu espectro de frequências, ou seja, em componentes senoidais individuais. Cada componente tem uma única frequência, amplitude e fase, e é chamada de monocromática.

A interferência é a superposição de duas ou mais ondas que produz um novo padrão de onda. Componentes dos campos que apontam no mesmo sentido interferem construtivamente. Componentes de sentidos opostos interferem destrutivamente. Sinais de polarizações diferentes também podem ser combinados por interferência para formar novos estados de polarização, em um processo chamado geração paralela de estados de polarização.

Energia, intensidade e pressão de radiação

No vácuo, a energia por unidade de volume do campo eletromagnético é

Em uma onda plana progressiva, as parcelas elétrica e magnética são iguais. O fluxo de energia é dado pelo vetor de Poynting,

cuja direção acompanha a propagação da onda. Seu módulo é a potência que atravessa uma unidade de área perpendicular à propagação. A intensidade é a média temporal desse fluxo. Para uma onda plana senoidal,

em que e são as amplitudes dos campos. A intensidade é proporcional ao quadrado da amplitude, enquanto a energia de cada fóton depende da frequência.

A absorção ou reflexão da radiação transfere momento linear à matéria e exerce pressão de radiação. Para um feixe no vácuo que incide perpendicularmente sobre uma superfície, a pressão média é se toda a radiação for absorvida e se houver reflexão perfeita. Na reflexão, a inversão do sentido do momento duplica a transferência à superfície.

Equações de Maxwell

James Clerk Maxwell obteve uma forma ondulatória das equações elétricas e magnéticas, estabelecendo a natureza ondulatória dos campos elétrico e magnético e sua simetria. Como a velocidade das ondas eletromagnéticas prevista pela equação de onda coincidia com a velocidade da luz medida experimentalmente, Maxwell concluiu que a própria luz era uma onda eletromagnética. Heinrich Hertz confirmou as equações de Maxwell em experimentos com ondas de rádio. Duas das quatro equações que Maxwell aperfeiçoou foram a lei da indução de Faraday e a lei de Ampère, à qual acrescentou o termo de corrente de deslocamento. Maxwell entendia a corrente de deslocamento como o movimento de cargas ligadas e acreditava que ela dava origem ao campo magnético. As outras duas são a lei de Gauss e a lei de Gauss para o magnetismo.

Campos próximo e distante