A intensidade da radiação eletromagnética que atravessa uma dada superfície é definida por , onde é o valor médio do módulo do vetor de Poynting associado à radiação e é o ângulo formado entre o vetor de Poynting e a normal à superfície. Mostre que se uma onda plana incide sobre uma superfície hemisférica de raio , a potência sobre a superfície é dada por .
Passo 1
Beleza, vamos começar entendendo o que a questão está pedindo. Temos uma onda eletromagnética chegando numa superfície hemisférica de raio . A intensidade da radiação que atravessa essa superfície é dada por , onde é o valor médio do módulo do vetor de Poynting (que representa a direção e a intensidade da energia que a onda transporta) e é o ângulo entre esse vetor e a normal à superfície. Nosso objetivo é mostrar que a potência total sobre a superfície hemisférica é .
Para resolver isso, vamos precisar entender conceitos de vetores de Poynting, intensidade da radiação, e integração sobre áreas em coordenadas esféricas. Vamos passo a passo!
Passo 2
Primeiro, vamos lembrar que a potência que atravessa uma superfície é obtida integrando a intensidade sobre toda a área dessa superfície. Matemáticamente, isso é:
Aqui, é um elemento infinitesimal da área da superfície.
Passo 3
Sabemos que a intensidade é dada por:
Substituindo isso na equação da potência, temos:
Como é uma constante (é o valor médio do vetor de Poynting), podemos tirá-lo da integral:
Passo 4
Agora, precisamos calcular a integral sobre a superfície hemisférica. Para isso, vamos usar coordenadas esféricas, onde a área de um elemento na hemisférica é dada por:
Aqui, é o ângulo polar (medido a partir do eixo ) e é o ângulo azimutal.
Passo 5
Na nossa situação, o vetor de Poynting está fixo numa direção, digamos, alinhado com o eixo . Portanto, o ângulo na expressão corresponde ao ângulo entre o vetor de Poynting e a normal à superfície, que em coordenadas esféricas é o próprio ângulo .
Então, podemos reescrever a integral como:
Aqui, é o limite superior para porque estamos trabalhando com uma hemisfério.
Passo 6
Vamos resolver a integral interna em :
Podemos simplificar isso usando uma substituição. Seja , então . Quando , , e quando , . Assim, a integral se torna: