O que é uma onda?

Uma onda é energia que se propaga

Dizer que uma onda é a propagação de uma perturbação do meio não é suficiente para compreender o que é uma onda.
Dizer que a velocidade, o comprimento de onda e a frequência são as 3 propriedades que caracterizam uma onda não é suficiente para compreender o que é uma onda.
Dizer que uma onda se desloca com uma velocidade determinada que depende das características do meio de propagação não nos mostra a onda.
Dizer que uma onda transporta energia sem transportar matéria ainda não nos diz nada sobre a natureza de uma onda.

Imaginemos agora uma corda que agitamos com um gesto vertical. Esse simples movimento desenhará uma onda de certa altura, que parece se propagar para a frente, mas na realidade nenhum ponto da corda se desloca; cada ponto vai e vem, movendo-se verticalmente. Essa amplitude nos dá uma ideia da força com que agitamos a corda, mas não da onda em si. Para compreender o que é uma onda, devemos remover a corda e imaginar as moléculas de ar sofrendo a pressão mecânica da corda. Nesse momento, resta apenas energia no meio (o ar), uma força gerada pelo movimento da corda. Essa energia faz a pressão do ar oscilar em torno de um valor de equilíbrio; a pressão aumenta e diminui alternadamente em torno desse valor.

A onda (ou seja, a energia) desloca as moléculas de ar sem transportá-las. Enquanto agitamos a corda, podemos medir a distância entre 2 cristas ou 2 vales; essa distância é o comprimento de onda medido em metros. O ritmo com que agitamos a corda corresponde à frequência da onda medida em Hertz. A velocidade da onda medida em metros/segundo é igual ao comprimento de onda multiplicado pela frequência.

A onda e seu campo

Uma onda se propaga em um meio estável, capaz de retornar a um estado de equilíbrio; para uma onda sonora, é a pressão do ar que se desloca em relação a um valor médio. Para uma onda eletromagnética, é a intensidade do campo eletromagnético que se desloca em relação a um valor médio do campo.

A eletricidade pode ser estática, como o âmbar que, depois de ser esfregado, atrai pequenos objetos. O magnetismo também pode ser estático, como em um ímã. Mas quando esses campos se deslocam juntos, tornam-se ondas eletromagnéticas transversais auto-propagantes.

As ondas eletromagnéticas são formadas quando um campo elétrico se acopla a um campo magnético. Nesse momento, eles oscilam em ângulo reto um em relação ao outro e se propagam perpendicularmente à direção do deslocamento. Em outras palavras, as vibrações do campo magnético e do campo elétrico são sempre perpendiculares entre si, mas também perpendiculares à direção da onda.

Os dois tipos de ondas, mecânicas e eletromagnéticas, são duas formas de transportar energia em um meio. As ondas na água e as ondas sonoras no ar são dois exemplos de ondas mecânicas. Esse transporte de energia perturba ou faz vibrar a matéria (sólida, líquida, gasosa ou plasma) sem transportá-la; as moléculas de água ou ar colidem, mas permanecem no mesmo lugar.

Um campo magnético variável induz um campo elétrico variável e vice-versa; os dois estão intimamente ligados. Esses dois campos, descritos por James Clerk Maxwell (1831-1879), quando se acoplam, formam as ondas eletromagnéticas (ver imagem). Ao contrário das ondas mecânicas, as ondas eletromagnéticas não precisam de um meio físico para se propagar; elas viajam por toda parte, até no vácuo espacial. A luz, as ondas eletromagnéticas e todas as radiações provêm do mesmo fenômeno físico: a Energia Eletromagnética.

O campo é um conceito fundamental na física; não é constituído por mais nada, é ele próprio que constitui o mundo real. Quando uma força age sobre eles, os campos transportam energia, dos átomos às grandes estruturas galácticas.

Frequência, comprimento de onda e energia

A frequência, o comprimento de onda e a energia estão matematicamente relacionados; basta conhecer um desses três valores para calcular os outros dois.

As ondas de rádio e as micro-ondas geralmente são descritas em termos de frequência (em hertz), a luz infravermelha e visível em termos de comprimento de onda (em metros), e os raios X e raios gama em termos de energia (elétron-volts).

A frequência da onda é o número de fenômenos periódicos ou número de cristas que se reproduzem em um segundo, de acordo com Heinrich Hertz (1857-1894) que estabeleceu a existência das ondas de rádio. Das ondas de rádio aos raios gama, a frequência é medida de alguns Hertz a 10²⁶ Hertz.

O comprimento de onda é a distância entre duas cristas. As ondas mais longas (ondas de rádio) podem medir vários quilômetros, enquanto as ondas mais curtas (ondas gama) podem medir até 10^-12 metros (tamanho do núcleo atômico).

A energia de uma onda eletromagnética é medida em elétron-volts (eV). Um elétron-volt é a quantidade de energia cinética necessária para mover um elétron através de um potencial de tensão de 1 volt. As energias mais baixas são as energias das ondas de rádio (alguns eV), enquanto as energias mais altas são as dos raios gama (além de 100 keV).

O que é a luz?

De acordo com as equações de James Clerk Maxwell (1831-1879), a luz é uma onda transversal eletromagnética auto-propagante com componentes elétricos e magnéticos onde os campos elétricos e magnéticos oscilam em ângulo reto entre si e se propagam perpendicularmente à direção em que se deslocam indefinidamente, a menos que sejam absorvidos pela matéria intermediária.
Em outras palavras, cada tipo de campo (elétrico e magnético) gera o outro para propagar toda a estrutura composta no espaço vazio à velocidade finita da luz.