Óptica

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)} (do grego optiké: que significa “visão’’) 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, inclusive infravermelha e ultravioleta, e estudo da natureza constitutiva da luz, as causas dos defeitos da visão, projeção de imagens, funcionamento de espelhos, a estrutura do átomo, entre outras coisas.

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, micro-ondas, 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.

• 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 joga um papel crucial.

Meios ópticos

A Luz, sendo uma onda eletromagnética, se propaga no vácuo com a mesma velocidade de 300.000 km/s. Já sua propagação na matéria é diferente, dependendo das características do material como densidade, espessura e 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 e o observador vê um objeto com nitidez através do meio. Alguns meios, sem ser o vácuo, podem ser considerados meios transparentes, porém, quando em pequenas espessuras. Alguns exemplos são o ar, o vidro comum, o papel celofane e a água.

• Translúcido: nos meios translúcidos, há dificuldade da luz em atravessá-los, sendo sua trajetória irregular. Alguns exemplos são o papel manteiga, o vidro fosco e as nuvens.
  

  Demonstração de exemplos de meios ópticos.

• Opaco: nos meios opacos a luz não se propaga. Esses meios absorvem e refletem-na e, quando absorvida, é transformada em outras formas de energia. Existem inúmeros meios opacos, como: madeira, papelão, parede, folha de papel, etc.

Equações

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

• Lei da Reflexão:

$i=r$

onde $i$=ângulo de incidência e $r$=ângulo de reflexão

• Índice de refração absoluto em um meio:

$n_{m}={\frac {c}{v_{m}}}$

onde $n_{m}$ é o índice de refração no meio $c$ a velocidade da luz no vácuo e $v_{m}$ é a velocidade da luz no meio.

• Lei de Snell-Descartes:

$n_{1}sen(i)=n_{2}sen(r)$

onde $n_{1}$ índice de refração no meio 1 $i$ ângulo de incidência $n_{2}$ índice de refração no meio 2 $r$ ângulo de refração

• Índice relativo de refração entre dois meios:

$n_{2},_{1}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}={\frac {sen(i)}{sen(r)}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {\lambda _{1}}{\lambda _{2}}}$

• Equação de Gauss:

${1 \over f}={1 \over p}+{1 \over i}$

• Associação de espelhos planos:

$n={360^{\circ } \over \alpha }-1$

onde $n_{2},_{1}$ índice de refração relativo entre os meios 1 e 2, $n_{1}$ índice de refração do meio 1, $n_{2}$índice de refração do meio 2, $i$ ângulo de incidência, $r$ ângulo de refração, $v_{1}$ velocidade da luz no meio 1, $v_{2}$ velocidade da luz no meio 2, $\lambda _{1}$ comprimento de onda no meio 1 e $\lambda _{2}$comprimento de onda no meio 2, f= distância focal, p=distância do objeto, i=distância da imagem, n= número de imagens, $\alpha$= ângulo de abertura entre os espelhos.

Aplicações

A óptica se faz presente no cotidiano em inúmeros fenômenos, e a partir dela é possível entendê-los e explicá-los. Alguns exemplos conhecidos são miragens, o arco íris e a aurora boreal que sem a ótica seria difícil de se explicar. Estes se tratam de fenômenos naturais, alguns outros exemplos de aplicação da óptica são os óculos de grau e de sol, câmeras fotográficas, suas importantes aplicações na medicina e biologia, desde o funcionamento do olho até sua utilização para melhorar e facilitar a vida humana.

Ótica na atmosfera

Céu azul

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.

Miragens

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.

Arco-íris

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.

Olho humano

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

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.

Polarização

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 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

Circular

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.

Outros significados

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.

Ver também

• Luz
• Velocimetria laser
• Refraçao
• Reflexão
• Difração
• Óptica geométrica
• Óptica ondulatória