Óptica
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A óptica (português brasileiro) ou óptica (português europeu)[1] (do grego optiké: que significa “visão’’)[2] é o ramo da Física que estuda os fenômenos que têm como causa determinante a energia radiante. A óptica explica, a partir das proposições quanto às trajetórias seguidas pela luz, o estudo da natureza constitutiva da luz, as causas dos defeitos de visão, projeção de imagens, funcionamento de espelhos, a estrutura atômica, entre outras aplicações.[3]
Os estudos relacionados à óptica vão além da luz visível, de forma a abranger outros tipos de radiação eletromagnética, seja ela infravermelha, ultravioleta, raios X, micro-ondas, ondas de rádio ou raios gama. A óptica, nesse caso, pode se enquadrar como uma divisão do eletromagnetismo e devido à dualidade onda-partícula algumas propriedades da óptica são áreas de estudos da mecânica quântica.
A óptica também presente em outras áreas de estudo. Na medicina destaca-se o estudo do olho humano e das lentes corretivas, bem como no uso de lasers em procedimentos cirúrgicos. Temos também presentes na astronomia através dos telescópios e na fotografia pelas lentes, além de estar presente no uso cotidiano, tendo como principal exemplo os espelhos.
Podemos dividir o estudo da óptica de acordo com sua amplitude de estudo:
- Óptica geométrica: trata a luz como um conjunto de raios que cumprem o princípio de Fermat. Utiliza-se no estudo da transmissão da luz por meios homogêneos (lentes e espelhos), a reflexão e a refração. Compreende o estudo de fatos relativamente simples, usando a construção geométrica e leis empíricas representando o percurso retilíneo dos raios de luz. Ela classifica dois tipos de corpos: os corpos que produzem e emitem luz, chamados de fonte primária de luz ou corpos luminosos. E também os corpos que enviam a luz que recebem, aqueles que não produzem Luz,chamadas de fontes secundárias de luz ou corpos iluminados.[2]
- Óptica ondulatória: considera a luz como uma onda plana, tendo em conta sua frequência e comprimento de onda. Utiliza-se para o estudo da difração e interferência.
- Óptica eletromagnética: considera a luz como uma onda eletromagnética, explicando assim a reflexão e transmissão, e os fenômenos de polarização e anisotrópicos.
- Óptica quântica ou óptica física: estudo quântico da interação entre as ondas eletromagnéticas e a matéria, no que a dualidade onda-corpúsculo representa uma função crucial.
Índice
Meios ópticos[editar | editar código-fonte]
Por ser uma onda eletromagnética, a Luz se propaga no vácuo com a velocidade de 299.792.458 m/s, enquanto sua velocidade de propagação na matéria é inferior e depende das características do material, como por exemplo sua densidade, espessura e composição. De acordo com a facilidade da propagação da luz o meios ditos ópticos podem ser classificados em:
- Transparente: os meios transparentes são meios em que a luz o percorre trajetórias bem definidas, ou seja, a luz passa por esse meio regularmente e o observador vê um objeto com nitidez através do meio. O único meio absolutamente transparente é o vácuo, porém alguns meios como o vidro e a água pura são comumente considerados meios transparentes.
- Translúcido: nos meios translúcidos, existe alguma dificuldade da luz em atravessá-los, sendo sua trajetória irregular. Alguns exemplos consistem em vidros foscos, papel manteiga e as nuvens, já que mesmo em um dia nublado não há ausência total de luz solar.
- Opaco: nos meios opacos a luz não se propaga, nesses meios ocorrem a absorção e reflexão da luz, realizando sua conversão em outros tipos de energia, sendo a térmica o principal exemplo. Madeira, concreto e ligas metálicas são exemplos de meios opacos.[4]
Sombra e penumbra[editar | editar código-fonte]
Quando um corpo opaco é colocado entre um anteparo e uma fonte de luz extensa existe dois padrões de quantidade de luz atrás desse obstáculo. a sombra e a penumbra. A sombra consiste numa região onde não ocorre incidência de uma luz direta, enquanto a penumbra consiste em um seção com apenas uma fração da intensidade de luz emitida pela fonte, sendo então um local de mudança gradativa da luz para a sombra.
Equações[editar | editar código-fonte]
De acordo com a propagação da luz, utilizamos as equações listadas abaixo. [5]
- Lei da Reflexão:
onde =ângulo de incidência e =ângulo de reflexão
- Índice de refração absoluto em um meio:
onde é o índice de refração no meio a velocidade da luz no vácuo e é a velocidade da luz no meio.
Onde índice de refração no meio 1 ângulo de incidência índice de refração no meio 2 ângulo de refração
- Índice relativo de refração entre dois meios:
Onde é o índice de refração relativo entre os meios 1 e 2, é o índice de refração do meio 1, consiste no índice de refração do meio 2, é ângulo de incidência, representa o ângulo de refração, corresponde a velocidade da luz no meio 1, é a velocidade da luz no meio 2, representa o comprimento de onda no meio 1 enquanto é o comprimento de onda no meio 2.
- Equação de Gauss:
Sendo a distância focal, a distância do objeto e a distância da imagem.
- Associação de espelhos planos:
Para que corresponde ao número de imagens formadas e o ângulo de abertura entre os espelhos.
Para termos a reflexão total, o ângulo de tem de ser maior de que , o qual ocorre quando o ângulo de refração for de 90º. Desse modo, a partir do , ocorrerá o fenômeno da reflexão total, de modo que apenas os raios com permanecerão no núcleo.[6]
Aplicações[editar | editar código-fonte]
A óptica se faz presente no cotidiano em inúmeros fenômenos, e a partir dela é possível entendê-los e explicá-los de forma satisfatória. Suas importantes aplicações na medicina e biologia, desde o funcionamento do olho até sua utilização para melhorar e facilitar a vida humana.[7]
Ótica em fenômenos naturais[editar | editar código-fonte]
Céu azul[editar | editar código-fonte]
A cor do céu predominantemente azul durante o dia é um resultado direto de um fenômeno conhecido como Dispersão de Rayleigh, onde altas frequências presentes na luz solar, como o azul, são redirecionadas diretamente para o campo de visão do observador. Durante praticamente o dia todo, pelo fato da luz azul (menor comprimento de onda) ser dispersada com mais facilidade do que a vermelha (maior comprimento de onda), quando a luz solar passa até o olho humano, a luz azul é redirecionada aos olhos. Pelo mesmo fato, o céu acaba por apresentar-se numa forma mais avermelhada quando passa por uma maior camada de ar, ou seja, quando apresenta-se no horizonte. A luz azul nesse caso, ao invés de redirecionada, está sendo dispersada e por esse motivo o céu fica avermelhado ao entardecer e amanhecer. [7]
Miragens[editar | editar código-fonte]
Miragens, ao contrário do que algumas pessoas pensam, não é apenas uma alucinação causada pelo forte calor de um deserto, mas é algo que realmente ocorre, e não apenas no deserto. Ocorre devido a um fenômeno óptico, a refração. A luz ao passar por meios com diferentes índices de refração acaba sofrendo desvios, como por exemplo ao passar do ar para a água. No caso das miragens, o meio é o mesmo, o ar, mas as diferentes temperaturas acabam por proporcionar o fenômeno. A temperatura do ar próximo a um solo muito quente como o de um deserto, ou até mesmo de um asfalto num dia de calor, acaba ficando bem maior do que a camada de ar um pouco acima, "criando" meios de índices de refração diferentes. Assim a imagem vista é uma imagem distorcida, conhecida como miragem. Também pode ocorrer o contrário, no caso de uma camada de ar frio por baixo, ocorrente, por exemplo, no mar. O primeiro tipo é conhecido por miragem inferior e o segundo por miragem superior. [7]
Arco-íris[editar | editar código-fonte]
O arco-íris pode ser avistado no céu ensolarado após uma chuva. Tal fenômeno ocorre devido a refração. Todos os meios acabam por possuir um índice de refração característico para um determinado comprimento de onda. Quanto menor o comprimento de onda, maior o índice de refração, assim, a luz azul apresenta maior refração do que a luz vermelha. Assim, também as gotículas de água apresentam seus índices de refração. A luz solar, branca, ao passar pelo céu úmido, contendo tais gotículas acaba sendo refratada, dividindo-se espectralmente, originado o arco-íris. Alguns outros fenômenos apresentam o mesmo esquema de funcionamento do arco-íris, como o halo, por exemplo, que usa ao invés de gotículas de água para a refração da luz, cristais de gelo. [7]
Olho humano[editar | editar código-fonte]

O olho humano funciona focando a luz sobre uma camada de células fotorreceptoras denominada retina, que forma o revestimento interno da parte traseira do olho. A focagem é realizada por uma série de meios transparentes. A luz que entra no olho passa primeiro através da córnea, que proporciona a maior parte da potência óptica do olho. A luz em seguida, continua através do fluido logo atrás da córnea, da câmara anterior, em seguida, passa através da pupila. A luz segue e passa através da lente, que foca a luz adicional e permite o ajuste do foco. A luz passa depois através do corpo principal do líquido no humor vítreo do olho, e atinge a retina. As células na retina alinhadas a parte posterior do olho, exceto as saídas do nervo óptico; resultam em um ponto cego.
Existem dois tipos de células fotorreceptoras, bastonetes e cones, que são sensíveis a diferentes aspectos da luz. Os bastonetes são sensíveis à intensidade da luz sobre uma ampla faixa de frequência, portanto, são responsáveis pela visão em preto-e-branco. Bastonetes não estão presentes na fóvea, a área da retina responsável pela visão central, e não são tão eficientes quanto as células cone para alterações espaciais e temporais em luz. Há, no entanto, vinte vezes mais células bastonetes do que as células cone na retina, porque os bastonetes estão presentes em uma área mais ampla. Devido à sua ampla distribuição, as hastes são responsáveis pela visão periférica.
Em contraste, as células de cone são menos sensíveis à intensidade global da luz, mas vêm em três variedades que são sensíveis a diferentes gamas de frequência e, portanto, são usadas na percepção da cor e da visão fotópica. Células cone são altamente concentrados na fóvea e tem uma alta acuidade visual, o que significa que elas são melhores em resolução espacial do que os bastonetes. Partindo do princípio que células cone não são tão sensíveis à luz fraca como bastonetes, a maioria de visão noturna é limitado a bastonetes. Da mesma forma, uma vez que as células cone estão na fóvea, a visão central (incluindo a visão necessária para fazer mais leitura, trabalho de detalhes finos, como costura, ou um exame cuidadoso de objetos) é feita por células cone.
Os músculos ciliares ao redor da lente permitem que o foco do olho possa ser ajustado. Este processo é conhecido como acomodação. O ponto próximo e ponto distante define as distâncias mais próximas e mais distantes do olho em que um objeto pode ser trazido em foco. Para uma pessoa com visão normal, a ponto distante está localizado no infinito. A localização do ponto próximo depende da quantidade que os músculos podem aumentar a curvatura da lente, e como a lente se torna inflexível com a idade. Oftalmologistas geralmente consideram um próximo ponto apropriado a distância de aproximadamente 25 cm.
Defeitos de visão podem ser explicados usando princípios ópticos. Como as pessoas envelhecem, o cristalino se torna menos flexível e o ponto próximo se torna mais distante do olho, uma condição conhecida como presbiopia. Da mesma forma, as pessoas que sofrem de hipermetropia não podem diminuir a distância focal da lente suficientemente para permitir a objetos próximos a ser projetado em sua retina. Por outro lado, as pessoas que não podem aumentar o seu comprimento focal de lente suficiente para permitir a objetos distantes a ser projetado sobre a retina sofrem de miopia e tem um ponto de medida que é consideravelmente mais estreita do que o infinito. A condição conhecida como resultados astigmatismo quando a córnea não é esférica, mas em vez disso é mais curva em uma direção. Isto faz com que objetos estendidos horizontalmente podem ser focados em diferentes partes da retina, e objetos verticalmente estendidos resultam em imagens distorcidas.
Todas essas condições podem ser corrigidas usando lentes corretivas. Para a presbiopia e hipermetropia, uma lente convergente fornece a curvatura adicional necessário para trazer o ponto próximo mais próximo do olho, enquanto para a miopia, uma lente divergente fornece a curvatura necessária para enviar o ponto distante ao infinito. O astigmatismo é corrigido com uma lente de superfície cilíndrica que se curva mais fortemente numa direção do que na outra, para compensar a não uniformidade da córnea.
A potência óptica de lentes corretivas é medido em dioptrias, um valor igual ao inverso do comprimento focal medido em metros; uma lente com distância focal positiva corresponde a uma lente convergente e uma distância focal negativa correspondente a uma lente divergente. Para lentes que corrigem para o astigmatismo, bem como, três números são dados: uma para a potência esférica, um para a alimentação cilíndrico, e um para o ângulo de orientação do astigmatismo.
Instrumentos ópticos[editar | editar código-fonte]
Lentes individuais têm uma variedade de aplicações, incluindo lentes fotográficas, lentes corretivas e lentes de aumento, enquanto os espelhos individuais são usados em refletores parabólicos e os espelhos retrovisores. A combinação de uma série de espelhos, prismas, lentes produz instrumentos ópticos compostos que têm usos práticos. Por exemplo, um periscópio é simplesmente dois espelhos planos alinhados para permitir a visualização em torno de obstruções. Os mais famosos instrumentos ópticos compostos em ciência são o microscópio e o telescópio que ambos foram inventados pelos holandeses no final do século 16.
Microscópios foram inicialmente desenvolvidos com apenas duas lentes: uma lente objetiva e uma ocular. A lente objetiva é essencialmente uma lupa e foi concebido com uma distância focal muito pequena enquanto o ocular geralmente tem um comprimento focal mais longo. Isso tem o efeito de produzir imagens ampliadas de objetos próximos. Geralmente, uma fonte adicional de iluminação é utilizada nestas imagens ampliadas, devido à conservação de energia e a propagação dos raios de luz sobre uma área de superfície maior. Microscópios modernos, conhecidos como microscópios compostos têm muitas lentes neles (normalmente quatro) para otimizar a funcionalidade e melhorar a estabilidade da imagem. Uma variedade de microscópio um pouco diferente, o microscópio de comparação, olha para as imagens lado a lado para produzir uma visão binocular estereoscópica que parece tridimensional quando usado por seres humanos.
Os primeiros telescópios, chamado telescópios de refração também foram desenvolvidos com uma única lente objetiva e ocular. Em contraste com o microscópio, a lente da objetiva do telescópio foi concebida com um comprimento focal grande para evitar as aberrações ópticas. A lente objetiva foca uma imagem de um objeto distante no seu ponto focal, que é ajustado para estar no ponto focal de uma ocular de uma distância focal muito menor. O objetivo principal de um telescópio não é necessariamente ampliação, mas em vez de recolha de luz que é determinada pelo tamanho físico da lente objetiva. Assim, telescópios são normalmente indicado pelos diâmetros das suas objetivas, em vez de pela ampliação que pode ser alterado mudando as oculares. Como a ampliação de um telescópio é igual ao comprimento focal da objetiva dividida pela distância focal da ocular, menores distâncias oculares focais causam uma maior ampliação.[8]
Polarização[editar | editar código-fonte]
A polarização é uma propriedade geral de ondas que descreve a orientação de suas oscilações. Para ondas transversais tanto quanto muitas ondas eletromagnéticas, descreve a orientação das oscilações no plano perpendicular à direção de deslocamento da onda. As oscilações podem ser orientadas numa única direção (polarização linear), ou a direção de oscilação pode girar à medida que a onda se desloca (polarização circular ou elíptica). Ondas polarizadas circularmente podem girar para a direita ou para a esquerda na direção de deslocamento, e quando ambas estas rotações estão presente numa onda, isso determina a quiralidade da onda.
A forma habitual de considerar a polarização é controlar a orientação do vetor campo elétrico de como a onda eletromagnética se propaga. O vetor campo eléctrico de uma onda plana pode ser arbitrariamente dividido em duas componentes perpendiculares aos eixos cartesianos x e y marcadas, com o eixo z indicando o caminho de propagação. A forma traçada no plano x-y pelo vetor campo eléctrico é uma figura de Lissajous que descreve o estado de polarização. As figuras seguintes mostram alguns exemplos da evolução do vetor campo elétrico (em azul), com o tempo (os eixos verticais), num ponto particular no espaço, juntamente com a suas componentes x e y (vermelho / esquerda e verde / direita), e o percurso traçado pelo vetor no plano (roxo): a mesma evolução iria ocorrer quando se olha para o campo elétrico num determinado momento, enquanto evoluindo o ponto no espaço, ao longo da direção oposta à propagação.
Na figura mais à esquerda acima, os componentes X e Y da onda de luz estão em fase. Neste caso, a relação entre os seus pontos fortes é constante, de modo que a direção do vetor campo elétrico (a soma vectorial destas duas componentes) é constante. Uma vez que a ponta do vector vai traçando uma linha no plano, neste caso especial é chamada polarização linear. A direção dessa linha depende as amplitudes relativas dos dois componentes.
Na figura do meio, as duas componentes ortogonais possuem as mesmas amplitudes e estão 90 ° fora de fase. Neste caso, uma componente é zero quando a outra componente é a amplitude máxima ou mínima. Existem duas possíveis relações de fase que satisfazem este requisito: o componente x pode ser de 90 ° a frente em relação à componente y ou pode ser de 90 ° depois da componente y. Neste caso especial, o vector elétrico traça um círculo no plano, de modo que esta polarização é chamada polarização circular. O sentido de rotação no círculo depende de qual das duas relações de fase existe e corresponde a polarização circular do lado direito e do lado esquerdo de polarização circular.
Em todos os outros casos, em que as duas componentes não têm as mesmas amplitudes e / ou a sua diferença de fase não é nem de zero nem um múltiplo de 90°, a polarização é chamada de polarização elíptica porque o vetor campo eléctrico traça uma elipse no plano (da elipse de polarização). Isto é mostrado na figura acima à direita.
Filtros polarizadores: a luz ao passar por um filtro polarizador, apenas a componente do campo elétrico paralela a direção de polarização do filtro é transmitida, a componente perpendicular a direção de polarização é absorvida pelo filtro. A luz que emerge de um filtro polarizador está polarizada paralela a direção de polarização do filtro.
Quando a luz incide em um filtro polarizador é não-polarizada a intensidade da luz transmitida é a metade da intensidade original.[8]
Outros significados[editar | editar código-fonte]
Ótica é um ramo de atividade comercial, para o comércio de armações, lentes oftálmicas e lentes de contato para correções de ametropias ou com fins estéticos. O termo é comumente confundida com óptica, porém apresentam significados distintos.
Ver também[editar | editar código-fonte]
Referências
- ↑ «Verbete "ótica" - grafia alterada pelo novo acordo ortográfico». Dicionário Priberam da Língua Portuguesa. Consultado em 20 de março de 2014
- ↑ a b [Sampaio & Calçada, José Luiz & Caio Sérgio. Óptica- A luz. São Paulo: Atual Editora, 2005. p. 204 e 205. ISBN 978-85-357-0579-9
- ↑ Villas Bôas, Newton (2012). Tópicos de Física 2. São Paulo: Saraiva. pp. 296 a 458
- ↑ Kazuhito & Fuke, Kazuhito Yamamoto & Luiz Felipe Fuke (2010). Física para o Ensino Médio. São Paulo: Editora Saraiva. pp. 132 a 248
- ↑ «Só Física». Consultado em 3 de novembro de 2015
- ↑ Mendonça, C. R. «Demonstrações de Reflexão Total Interna para Alunos do Segundo Grau» (PDF). Revista Brasileira de Ensino de Física. Consultado em 26 de novembro de 2015
- ↑ a b c d HALLIDAY, RESNICK, WALKER; Fundamentos da Física, Vol. 4, 8ª Edição, LTC, 2009
- ↑ a b Halliday & Resnik (2009). Fundamentos de Física. [S.l.]: LTC