Óptica

Óptica é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados à luz. Devido ao fato do sentido da visão ser o que mais contribui para a aquisição do conhecimento, a óptica é uma ciência bastante antiga, surgindo a partir do momento em que as pessoas começaram a fazer questionamentos sobre o funcionamento da visão e sua relação com os fenômenos ópticos. 

            A luz pode ser definida como uma energia que pode ser estudada tanto como onda eletromagnética quanto como fótons (partículas em movimento).

Os princípios fundamentais da óptica são: 

1º - Princípio da Propagação Retilínea: a luz sempre se propaga em linha reta; 

2º - Princípio da Independência de raios de luz: os raios de luz são independentes, podendo até mesmo se cruzarem, não ocasionando nenhuma mudança em relação à direção dos mesmos; 
3º - Princípio da Reversibilidade da Luz: a luz é reversível. Por exemplo, se vemos alguém através de um espelho, certamente essa pessoa também nos verá. Assim, os raios de luz sempre são capazes de fazer o caminho na direção inversa.

            A luz pode ser propagada em três diferentes tipos de meios. 
-Os meios transparentes permitem a passagem ordenada dos raios de luz, dando a possibilidade de ver os corpos com nitidez. Exemplos: vidro polido, ar atmosférico, etc. 

-Nos meios translúcidos a luz também se propaga, porém de maneira desordenada, fazendo com que os corpos sejam vistos sem nitidez. Exemplos: vidro fosco, plásticos, etc. 

-Os meios opacos são aqueles que impedem completamente a passagem de luz, não permitindo a visão de corpos através dos mesmos. Exemplos: portas de madeira, paredes de cimento, pessoas, etc. 

            Reflexão e refração são fenômenos muito comuns que estão relacionados à propagação da luz. Quando a luz está se propagando em um determinado meio e atinge uma superfície, como um bloco de vidro transparente, por exemplo, parte dessa luz retorna para o meio no qual estava se propagando. Este fato é chamado de reflexão da luz. Já a outra parte da luz que passa para o outro meio, é a refração da luz. Esses dois fenômenos ocorrem de forma simultânea, no entanto, pode acontecer de um prevalecer sobre o outro, mas isso depende da natureza dos meios que a luz esta incidindo e das condições de incidência.

            A reflexão pode ser definida de duas formas. Quando a superfície de incidência da luz é totalmente polida, o raio refletido é bem definido. Quando isso acontece dizemos que ocorreu reflexão especular. Por outro lado, se a superfície de incidência for irregular, cheia de imperfeições, os raios de luz não são bem refletidos e, dessa forma, ocorre o que chamamos de reflexão difusa.

            De maneira simples podemos dizer que a reflexão é o ato da luz ser refletida para o meio que estava se propagando. A reflexão luminosa é regida por duas leis que são:

• Primeira Lei – diz que o raio incidente, o raio refletido e a normal pertencem ao mesmo plano.

• Segunda Lei – diz que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência, ou seja, r = i.

            A refração da luz é responsável por uma série de fenômenos ópticos que acontecem no cotidiano, como por exemplo, o fato de a profundidade de uma piscina parecer menor do que realmente é. Esse fenômeno acontece em razão da diferença entre os meios de propagação.
            Podemos definir a refração como sendo o fenômeno que consiste na mudança de direção de propagação dos feixes de luz quando essa passa de um meio para outro.

            Quando a luz sai de um meio para outro o ângulo de reflexão é o mesmo do ângulo incidente. Para calcular o índice de refração (Quando a luz passa de um meio para outro, sua velocidade aumenta ou diminui devido às diferenças das estruturas atômicas das duas substâncias, ou de suas densidades ópticas ou índices de refração) usa-se a expressão:

n= sen i                              

      sen t

Espelhos Planos

São os espelhos planos que utilizamos com maior frequência. Para descobrir as características das imagens fornecidas por um espelho plano, nada melhor do que te colocares em frente a um. Um espelho plano fornece apenas uma imagem de cada objeto, mas dois espelhos planos dispostos aparecem várias imagens do mesmo objeto, para calcular quantas imagens iram aparecer se usa a seguinte formula:

Espelhos Convexos

Os espelhos curvos convexos também têm alguma utilidade no nosso dia-a-dia. Ao prolongar, com um tracejado, os raios refletido para trás do espelho, estes cruzam-se num ponto a que chamamos Foco. Este Foco, por se encontrar "dentro" do espelho, é considerado um Foco virtual.

Num espelho convexo, as imagens apresentam as seguintes características:

A imagem obtida ...

... é virtual, parece formar-se atrás do espelho;

... é direita;

...menor que o objeto;

... simétrica do objeto em relação ao espelho.

Espelhos Côncavos

Todos os raios convergem para um único ponto a que se dá o nome de Foco. Este Foco, como se encontra fora do espelho é um Foco real:

Num espelho côncavo, a imagem apresentada depende da distância a que o Objeto se encontra do espelho. Assim:

-Quando o objeto está muito afastado do espelho, a uma distância superior ao raio (sobre a linha vermelha) a imagem é real, invertida e menor do que o Objeto.

-Quando o Objeto está entre o foco e o centro (sobre a linha vermelha) a imagem é real, invertida e maior do que o objeto.

-Quando o objeto está muito próximo do espelho, entre o vértice e o foco (sobre a linha vermelha) a imagem é virtual, direita e maior do que o Objeto.

Lentes

Lente convergente: As lentes convergentes aproximam os raios de luz, tipo uma lupa que une todos os raios em um único ponto bem pequeno. 

Lente divergente: As divergentes fazem o contrario, afastam os raios de luz, ou seja divergem os raios de luz.

Olho Humano:

No olho míope, as imagens se formam antes da retina. Corrige-se esse defeito, colocando-se uma lente divergente diante dos olhos. No olho hipermetrope, as imagens se formam depois da retina. Para se corrigir o defeito, coloca-se uma lente convergente diante do olho. 

Dispersão da Luz

Dispersão da luz é o nome dado ao fenômeno no qual uma luz policromática, ao se refratar, decompõe-se nas cores componentes. Esse fenômeno se deve ao fato de que o índice de refração de qualquer meio material depende da cor da luz incidente.

O fenômeno da dispersão pode ser mais bem observado quando a luz policromática (luz branca), que se propaga no ar, incide obliquamente em um prisma de vidro. A decomposição da luz ocorre na face onde ela incide, sendo que a separação das cores (espectro aumentado) ocorre quando a luz se refrata novamente na outra face.

"O que causa um arco-íris?"

Em um arco-íris, as gotas de chuva no ar agem como pequenos prismas. A luz entra na gota de chuva, reflete do outro lado da gota e sai. Durante o processo, ela é dividida em um espectro assim como acontece em um prisma triangular de vidro.

Por que o céu é azul?

            A explicação para essa pergunta pode ser dada a partir de um fenômeno físico que ocorre na atmosfera, denominado de espalhamento de Rayleigh. Como se sabe, a radiação solar que aquece a Terra é uma luz extremamente brilhosa e branca, porém composta por várias outras tonalidades de cor, cada qual com um comprimento de onda específico. O que ocorre é que quando a luz penetra na atmosfera ela atinge os átomos de nitrogênio e oxigênio, bem como as outras partículas que compõem a atmosfera, dando origem ao fenômeno do espalhamento.

            Como sabemos, a luz é uma onda que possui vários comprimentos. Segundo o fenômeno físico do espalhamento, a luz solar é espalhada em várias direções e com várias tonalidades de cor, cada uma com um comprimento de onda específico, no entanto, a onda que possui o comprimento da cor azul é bem mais definida e eficiente do que as outras. Por esse motivo é que vemos o Sol como um disco brilhante e o restante do céu todo azul, justamente em razão do efeito que a luz provoca sobre os átomos que compõem o ar, a qual faz com que a luz seja espalhada em vários comprimentos de onda, dos quais somente percebemos a cor azul.

            O mesmo ocorre pela tarde, quando passamos a ver o céu com um leve toque de vermelho ou laranja, que se deve ao fato de a luz percorrer um caminho maior para chegar até nossos olhos.

Por que o pôr do sol e a alvorada são vermelhos?

Quando o sol está no horizonte, a luz leva um caminho muito maior através da atmosfera para chegar aos nossos olhos do que quando está sobre nossas cabeças. A luz azul nesse caminho foi toda dispersada , a atmosfera atua como um filtro , e muito pouca luz azul chega até você, enquanto que a luz vermelha que não é dispersada e sim transmitida alcança nossos olhos com facilidade. Nessa hora a luz branca está sem o azul.

Durante a dispersão da luz nas moléculas ocorre o fenômeno de interferência destrutiva em que a onda principal se subdivide em várias outras de menor intensidade e em todas direções, porém mantendo a energia total conservada. O efeito disto é que a luz azul do sol que vinha em linha reta passa a ir em todas as direções. Ao meio dia todas as direções estão próximas de nós mas no entardecer a dispersão leva para longe do nosso campo de visão o azul já que a luz solar percorre uma longa tangente na circunferência da terra até chegar aos nossos olhos. 

Além disso, o vermelho e o laranja tornam-se muito mais vívidos no crepúsculo quando há poeira ou fumaça no ar, provocado por incêndios, tempestade de poeira e vulcões. Isso ocorre porque essas partículas maiores também provocam dispersão com a luz de comprimento de onda próximos, no caso o vermelho e laranja.

Por que as nuvens são brancas?

Nas nuvens existem partículas ( gotas de água ) de tamanhos muito maiores que o comprimento de ondas da luz ocorrendo dispersão generalizada em todo o espectro visível e iguais quantidades de azul, verde e vermelho se juntam formando o branco.

Como funciona o raio laser?

O raio laser é formado por partículas de luz (fótons) concentradas e emitidas em forma de um feixe contínuo. Para fazer isso, é preciso estimular os átomos de algum material a emitir fótons. Essa luz é canalizada com a ajuda de espelhos para formar um feixe. A tecnologia foi criada em 1960 por Theodore Maiman. Na ocasião, o físico americano estimulou átomos de rubi a emitir luz concentrada. Desde então, o laser evoluiu e atualmente é empregado em aparelhos caseiros, cirúrgicos, industriais, militares e espaciais – raios laser já foram usados até para medir a distância entre a Terra e a Lua. Embora seja possível criar armas para cegar inimigos e para interceptar mísseis (aquecendo-os até explodirem), pistolas que disparam laser, como a ilustrada abaixo, não devem deixar de ser ficção científica tão cedo.

Como funciona uma célula fotovoltaica?
As células fotovoltaicas funcionam de acordo com um fenómeno físico básico designado “efeito fotoeléctrico.”

01. Quando um número suficiente de fotões colide com uma placa semicondutora, como o silício, podem ser absorvidos pelos seus electrões à superfície.

02. A absorção de energia adicional permite que os electrões (com carga negativa) se libertem dos átomos. Os electrões tornam-se móveis, e o espaço que ficou é preenchido por um outro electrão de uma camada inferior do semicondutor.

03. Consequentemente, um dos lados da bolacha de sílicio possui uma maior concentração de electrões do que o outro, o que origina uma voltagem entre os dois lados. Ligar os dois lados com um fio eléctrico permite que os electrões afluam ao outro lado da bolacha gerando corrente eléctrica.