As micro-ondas são um tipo de radiação eletromagnética, assim como as ondas de rádio, a radiação ultravioleta, os raios X e os raios gama.

Esta imagem revelada em 21 de março de 2013 mostra o fundo cósmico em micro-ondas (CMB) observado pelo observatório espacial Planck da Agência Espacial Européia. O CMB é um instantâneo da luz mais antiga do nosso Universo, impressa no céu quando o Universo tinha apenas 380 000 anos. Mostra pequenas flutuações de temperatura que correspondem a regiões de densidades ligeiramente diferentes, representando as sementes de toda a estrutura futura: as estrelas e galáxias de hoje. Crédito da imagem: ESA and the Planck Collaboration

As micro-ondas têm uma gama de aplicações, incluindo comunicações, radar e, talvez mais conhecido pela maioria das pessoas, cozinhar. 

A radiação eletromagnética é transmitida em ondas ou partículas em diferentes comprimentos de onda e frequências. Essa ampla faixa de comprimentos de onda é conhecida como espectro eletromagnético (EM). O espectro é geralmente dividido em sete regiões em ordem decrescente de comprimento de onda e crescente de energia e frequência. As designações comuns são ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho (IV), luz visível, ultravioleta (UV), raios X e raios gama. As micro-ondas caem na faixa do espectro EM entre o rádio e a luz infravermelha.

O espectro eletromagnético, das ondas de frequência mais alta para a mais baixa. Crédito da imagem: Shutterstock

As micro-ondas têm frequências que variam de cerca de 1 bilhão de ciclos por segundo, ou 1 gigahertz (GHz), até cerca de 300 gigahertz e comprimentos de onda de cerca de 30 centímetros (12 polegadas) a 1 milímetro (0,04 polegadas), de acordo com a Enciclopédia Britânica. Esta região é ainda dividida em várias bandas, com designações como L, S, C, X e K, de acordo com o livro de Ginger Butcher "Tour of the Electromagnetic Spectrum".

Comunicações e radar

As micro-ondas são usadas principalmente para sistemas de comunicação ponto a ponto para transmitir todos os tipos de informações, incluindo voz, dados e vídeo em formatos analógicos e digitais, de acordo com a Federal Communications Commission (FCC). Eles também são usados para controle supervisório e aquisição de dados (SCADA) para máquinas remotas, chaves, válvulas e sinais.

Outra aplicação importante das micro-ondas é o radar. A palavra "radar" era originalmente um acrônimo para RAdio Detection And Ranging. Antes da Segunda Guerra Mundial, engenheiros de rádio britânicos descobriram que ondas de rádio de comprimento de onda curto podiam ser refletidas em objetos distantes, como navios e aeronaves, e o sinal de retorno podia ser detectado com antenas direcionais altamente sensíveis para que a presença e a localização desses objetos pudessem ser determinadas. O uso do termo "radar" tornou-se tão comum que agora é uma palavra em si e pode se referir a sistemas que usam micro-ondas ou ondas de rádio. 

Um fato histórico pouco conhecido é que uma instalação de radar inicial foi construída no topo de Kahuku Point, na ponta mais ao norte de Oahu. De acordo com o site do estado do Havaí, a estação realmente detectou a primeira onda de aeronaves japonesas a caminho de atacar Pearl Harbor quando os aviões estavam a 212 quilômetros de distância. No entanto, como o sistema estava em operação há apenas duas semanas, foi considerado não confiável e o aviso foi ignorado. Ao longo da guerra, o radar foi aprimorado e refinado e, desde então, tornou-se um elemento essencial da defesa nacional e do controle do tráfego aéreo civil. 

O radar encontrou muitos outros usos, alguns dos quais exploram o efeito Doppler. Um exemplo do efeito Doppler pode ser demonstrado por uma ambulância que se aproxima: À medida que se aproxima, o som da sirene parece aumentar de tom, até que passa. Então, à medida que se afasta, a sirene parece diminuir de tom. 

Robert Mayanovic, professor de física da Missouri State University, disse que o radar Doppler, que geralmente emprega micro-ondas, é usado para controle de tráfego aéreo e fiscalização de limites de velocidade veicular. Quando um objeto se aproxima da antena, as micro-ondas de retorno são comprimidas e, portanto, têm um comprimento de onda mais curto e uma frequência mais alta. Por outro lado, as ondas de retorno de objetos que se afastam são alongadas e têm um comprimento de onda mais longo e uma frequência mais baixa. Ao medir essa mudança de frequência, a velocidade de um objeto em direção ou longe da antena pode ser determinada. 

As aplicações comuns deste princípio incluem detectores de movimento simples, armas de radar para aplicação de limites de velocidade, altímetros de radar e radares meteorológicos que podem rastrear o movimento 3D de gotículas de água na atmosfera. Essas aplicações são chamadas de detecção ativa, porque as micro-ondas são transmitidas e os sinais refletidos são recebidos e analisados. No sensoriamento passivo, as fontes naturais de micro-ondas são observadas e analisadas. Muitas dessas observações são conduzidas por satélites que olham para a Terra ou para o espaço.

Esta vista panorâmica do planalto de Chajnantor, no Chile, mostra as antenas do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) contra um céu noturno estrelado de tirar o fôlego. Crédito da imagem: ESO/B. Tafreshi

Fontes de calor de micro-ondas

Um dos usos mais comuns de micro-ondas é aquecer alimentos rapidamente. Fornos de micro-ondas são possíveis porque as micro-ondas podem ser usadas para transmitir energia térmica. A descoberta deste fenômeno foi puramente acidental. Em seu livro, "They All Laughed...: From the Light Bulbs to Lasers: The Fascinating Stories Behind the Great Inventions That Have Changed Our Lives" (Harper Collins, 1992), o autor Ira Flatow conta a história da invenção do forno micro-ondas: "Pouco depois da Segunda Guerra Mundial, Percy L. Spencer, um gênio da eletrônica e herói de guerra, estava visitando um de seus laboratórios na Raytheon Company. Spencer parou na frente de um magnetron, o tubo de força que aciona um conjunto de radar. De repente, ele percebeu que uma barra de chocolate em seu bolso começou a derreter." Investigações posteriores o levaram a fazer o primeiro lote de pipoca de micro-ondas, bem como o primeiro ovo explodindo. 

Os primeiros fornos de micro-ondas eram bastante grandes e caros, mas desde então se tornaram tão acessíveis que são comuns em residências em todo o mundo. Os sistemas de aquecimento por micro-ondas também são usados em várias aplicações industriais, incluindo processamento de alimentos, produtos químicos e materiais em operações em lote e contínuas.

Fontes naturais de micro-ondas

Radioastrônomos realizam observações na região de micro-ondas, mas devido à atenuação pela atmosfera, a maioria desses estudos é feita usando balões ou satélites de alta altitude. No entanto, talvez a observação mais famosa de micro-ondas extraterrestres foi realizada por dois cientistas do Bell Labs trabalhando em um sistema de telecomunicações, usando uma grande antena terrestre. 

De acordo com o site da NASA Science, "Em 1965, usando longas micro-ondas de banda L, Arno Penzias e Robert Wilson, cientistas do Bell Labs, fizeram uma descoberta incrível por acidente: Eles detectaram ruído de fundo usando uma antena especial de baixo ruído. O estranho sobre o ruído era que vinha de todas as direções e não parecia variar muito em intensidade. Se essa estática fosse de algo em nosso planeta, como transmissões de rádio de uma torre de controle de aeroporto próxima, viria apenas de uma direção, não de todos os lugares. Os cientistas do Bell Lab logo perceberam que haviam descoberto por acaso a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Essa radiação, que preenche todo o universo, é uma pista para o seu início, conhecido como Big Bang.

Penzias e Wilson receberam o Prêmio Nobel de Física de 1978 por sua descoberta. A radiação cósmica de fundo em micro-ondas já foi mapeada com grande precisão por satélites. Essas observações revelaram as pequenas variações de temperatura que eventualmente evoluíram para os aglomerados galácticos que vemos hoje. 

A análise dessa radiação de fundo também deu aos astrônomos pistas sobre a composição do universo, e os cientistas agora pensam que 95% do cosmos é composto de matéria e energia que não podem ser "detectadas" com instrumentos convencionais, levando aos nomes matéria escura e energia escura. A análise futura dessa radiação de fundo pode lançar mais luz sobre o que aconteceu logo após o nascimento do universo, e, potencialmente, mesmo antes de esse universo existir, de acordo com alguns modelos cósmicos.

Recursos adicionais

• O Projeto Luxorion lista, com descrições detalhadas, todas as frequências alocadas para radioastronomia.
• O site da NASA Science discute micro-ondas.
• Hackaday.com mostra como fazer a eletrônica para um sensor de movimento Doppler.

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Referência:

LUCAS, Jim. What Are Microwaves? Live Science, 09, fev. 2018. Disponível em: <https://www.livescience.com/50259-microwaves.html>. Acesso em: 30, jan. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.