Óptica

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Ao atravessar esta superfície de plexiglas, a maior parte do raio de luz é refratada (raio inferior) e uma pequena parte é refletida (raio superior).

A óptica (português brasileiro) ou ótica (português europeu)[1] (do grego optiké: que significa “visão’’)[2] é um ramo da Física que estuda a luz e seus mecanismos de propagação, abrangendo a radiação eletromagnética, visível ou não. A óptica explica os fenômenos de reflexão, refração e difração, a interação entre a luz e o meio, entre outros fenômenos.

Esse ramo da física estuda fenômenos envolvendo a luz visível, infravermelha, e ultravioleta; entretanto, uma vez que a luz é uma onda electromagnética, fenômenos análogos acontecem com os raios X, microondas, ondas de rádio, e outras formas de radiação electromagnética. A óptica, nesse caso, pode se enquadrar como uma subdisciplina do eletromagnetismo. Alguns fenômenos ópticos dependem da natureza da luz e, nesse caso, a óptica se relaciona com a mecânica quântica.

Segundo o modelo para a luz utilizada, distingue-se entre os seguintes ramos, por ordem crescente de precisão (cada ramo utiliza um modelo simplificado do empregado pela seguinte):

  • 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, 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]

Meios ópticos[editar | editar código-fonte]

A Luz sendo uma onda eletromagnética, se propaga no vácuo com a mesma velocidade 300.000 km/s. A propagação na matéria é diferente,dependendo das características do material, densidade, espessura,composição, a luz encontra dificuldade para atravessar. Recebem o nome de meios ópticos os meios em que há a propagação da luz, de acordo com sua propagação os meios são classificados em:

  • Transparente: os meios transparentes são meios em que a luz o percorre em trajetórias bem definidas. Ou seja, a luz passa por esse meio regularmente, ou seja, o observador vê um objeto com nitidez através do meio. E o único meio que pode ser considerado transparente é o vácuo. Alguns meios sem ser o vácuo podem ser considerados meios transparentes, porém, quando em pequenas espessuras, alguns exemplos: ar, vidro comum, papel celofane, água
  • Translúcido: nos meios translúcidos a luz não passa por eles com tanta facilidade como nos meios transparentes, sua trajetória não é regular. Esse tipo de meio tem exemplos como: papel manteiga, vidro fosco, as nuvens.
    Demonstração de exemplos de meios ópticos.
  • Opaco:Nos meios opacos a luz não se propaga. Esses meios absorvem e refletem essa luz, a luz absorvida é transformada em outras formas de energia. Existem inúmeros meios opacos, como: madeira, papelão, parede, folha de papel, etc.[3]

Equações[editar | editar código-fonte]

De acordo com a propagação da luz, utilizamos as equações listadas abaixo. [4]

  • 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.

  • Lei de Snell-Descartes:

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:

  • Equação de Gauss:

  • Associação de espelhos planos:

onde índice de refração relativo entre os meios 1 e 2, índice de refração do meio 1, índice de refração do meio 2, ângulo de incidência, ângulo de refração, velocidade da luz no meio 1, velocidade da luz no meio 2, comprimento de onda no meio 1 e comprimento de onda no meio 2, f= distância focal, p=distância do objeto, i=distância da imagem, n= número de imagens, = ângulo de abertura entre os espelhos.

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Olho Humano[editar | editar código-fonte]

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O olho humano funciona focando a luz sobre uma camada de células fotorreceptoras chamada 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.[5]

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, que 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). Circularmente ondas polarizadas pode girar para a direita ou para a esquerda na direção de deslocamento, e quando duas dessas rotações está presente numa onda é chamado de 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 x e y marcadas (com Z que indica a direção da viagem). 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 (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.

Linear polarization diagram
Linear
Circular polarization diagram
Circular
Elliptical polarization diagram
Elíptica

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: quando a luz 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.[5]

Outros significados[editar | editar código-fonte]

Optica

Óptica também é um ramo de atividade comercial, para o comércio de armações, lentes oftálmicas e lentes de contacto para correções de ametropias ou com fins cosméticos.

No Brasil, é obrigatório estar presente no estabelecimento um técnico em óptica (óptico) formado (nível técnico), bem como Alvará Sanitário Vigilância Sanitária do município para que a óptica funcione de acordo com a lei.

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. «Verbete "óptica"». Dicionário Priberam da Língua Portuguesa. Consultado em 20 de março de 2014. 
  2. 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
  3. Kazuhito & Fuke, Kazuhito Yamamoto & Luiz Felipe Fuke (2010). Física para o Ensino Médio (São Paulo: Editora Saraiva). p. 132 a 248. ISBN 978-85-02-09494-0 Verifique |isbn= (Ajuda). 
  4. «Só Física». Consultado em 03 de novembro de 2015. 
  5. a b Halliday & Resnik (2009). Fundamentos de Física LTC [S.l.] 

Ver também[editar | editar código-fonte]

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