A óptica é um ramo da física dedicado à compreensão dos fenômenos relacionados à luz, cuja percepção varia conforme o meio em que se propaga. Esse fator impacta diretamente no estudo dos fenômenos ópticos. Tais meios podem ser classificados em transparentes, translúcidos ou opacos, cada um com suas particularidades na visualização dos objetos.
A óptica pode se dividir em duas subáreas, de acordo com a física clássica: a óptica geométrica e a óptica física. Contudo, a física moderna inclui também a subdivisão da óptica quântica. Enfim, os fenômenos que a óptica estuda são:
- Reflexão
- Refração
- Absorção
- Transmissão
- Difração
- Interferência
- Polarização
Qual é o conceito de óptica?
A óptica é uma área da física que tem como intuito entender os fenômenos relacionados à luz. Sendo assim, ela pode ser entendida como um caso particular da ondulatória, pois ela estuda não apenas a luz visível, mas também o comportamento das ondas de todo espectro eletromagnético.
Na física clássica, a óptica se divide em duas subáreas: a óptica geométrica e a óptica física. Em contrapartida, na física moderna, existe também a subdivisão da óptica quântica, que estuda o comportamento quântico e corpuscular da luz e de outras radiações.
O que é a óptica geométrica?
A óptica geométrica tem como foco a interpretação da luz como segmentos de reta, conhecidos como raios de luz. Em resumo, os raios de luz são usados para demonstrar a direção e o sentido de propagação da luz.
A maior parte dos fenômenos luminosos que podemos notar em nosso cotidiano podem ser explicados apenas pela óptica geométrica. Exemplos disso são os eclipses e as sombras.
Como a óptica geométrica usa uma concepção de luz relativamente simples, é possível explicar de forma simples como ocorre a formação de sistemas ópticos refletores (como os espelhos) e os sistemas ópticos refratores (como os prismas). Para isso, a óptica geométrica conta com alguns princípios.
Quais são os princípios?
Os princípios da óptica geométrica servem para explicar como os raios de luz se comportam em situações variadas. Os princípios são:
1- Princípio da propagação retilínea da luz
Esse princípio determina que os raios de luz se propagam em linha reta.
2- Princípio da independência dos raios de luz
De acordo com este princípio, quando dois raios de luz se cruzam, eles atravessam um ao outro, como se eles inexistissem mutuamente.
3- Princípio da reversibilidade dos raios de luz
Por fim, esse princípio explica que o sentido de propagação dos raios de luz é reversível.
O que é a óptica ondulatória?
A óptica ondulatória é uma divisão da óptica que interpreta a luz como uma onda eletromagnética, tendo uma frequência e comprimento de onda bem estabelecidos.
Desse modo, a óptica ondulatória possibilita a compreensão dos fenômenos que a óptica geométrica não consegue explicar como, por exemplo, difração e polarização.
Principais conceitos da óptica
Os principais conceitos da óptica são:
1- Fontes de luz
As fontes de luz são qualquer corpo que emana luz, e podem ser primárias ou secundárias:
Fontes primárias
Também conhecidos como corpos luminosos, as fontes primárias são os corpos que produzem luz. A produção de luz pode ocorrer por meio de vários processos como, por exemplo, a termoluminescência e a luminescência, que envolve fenômenos de emissão de luz em baixas temperaturas.
Alguns exemplos de fontes primárias são: sol, estrelas no geral, lâmpada acesa e a chama de uma vela.
Fontes secundárias
As fontes secundárias são conhecidas como corpos iluminados, já que eles apenas refletem a luz que incide sobre eles. Ou seja, eles não produzem a própria luz. Exemplos dessas fontes são: luz, vegetais e seres humanos.
Fontes puntiformes
As fontes puntiformes têm dimensões desprezíveis, isto é, são muito pequenas em relação ao observador. Exemplos disso são as estrelas e uma lanterna acesa a vários quilômetros de distância.
Fontes extensas
Por fim, as fontes extensas são fontes de luz que tamanhos que não podem ser desconsiderados já que suas dimensões são comparáveis às do cenário que é iluminado. Por exemplo, a lua e o sol.
2- Luz monocromática
A luz monocromática apresenta idealmente uma única frequência, isto é, uma única cor. Por exemplo, a luz branca é policromática, pois é composta por várias frequências de luz.
3- Cores
Quando ocorre a incidência da luz branca sobre um objeto, uma parte da luz é absorvida por ele. A luz que foi absorvida pode ser transmitida diretamente para os átomos e gerar energia térmica, por exemplo. Mas uma parte da luz incidente será refletida de volta, e é essa parte que estabelece a cor dos corpos iluminados.
Por exemplo, se você olhar para uma caneca vermelha você só enxerga essa cor pois os átomos não são capazes de absorver a luz vermelha.
As cores são a forma com que o cérebro interpreta estímulos visuais, sendo que o olho humano consegue identificar um intervalo de frequências de ondas eletromagnéticas chamada de radiação visível, que se estende entre o infravermelho e a radiação ultravioleta.
Além disso, o olho humano tem diferentes tipos de células sensíveis a três picos de frequência que são equivalentes às cores verde, vermelho e azul. Desse modo, tendo essas cores como base, o cérebro cria a nossa percepção das cores.
4- Meios ópticos
Os meios ópticos podem ser:
Meios transparentes
Os meios transparentes conseguem transmitir a luz com pouca ou nenhuma perda de intensidade. Como são transparentes, também é possível enxergar com nitidez através deles. Exemplos desses meios são: vidro, ar e vácuo.
Meios translúcidos
Esses meios possibilitam a transmissão parcial da luz, mas não é possível enxergar através deles de forma nítida. Exemplos disso são: vidro fosco, névoa e papel vegetal.
Meios opacos
Os meios opacos interrompem a passagem de luz, e essa interrupção pode ocorrer com a absorção da luz ou com a sua reflexão. Exemplos disso são os metais e as paredes.
Um detalhe importante é que a opacidade de um meio óptico depende de vários fatores como, por exemplo, a distância percorrida pela luz e a sua frequência. Além disso, alguns meios são opacos somente para certas frequências, isto é, passam a passagem apenas de algumas cores.
5- Sistemas ópticos
Os sistemas ópticos são meios ópticos dispostos em formas e tamanhos diferentes. Eles servem, sobretudo, para manipular a direção da propagação da luz.
Refletores
São superfícies polidas, espelhos esféricos, espelhos planos e afins.
Refratores
Os refratores são lentes esféricas côncavas e convexas, dioptros planos etc.
Sombra
As sombras ocorrem quando algum meio opaco intercepta os raios de luz, formando uma região onde não há incidência direta dos raios de luz.
Penumbra
A penumbra está localizada em uma região de transição entre a sombra e a luminosidade. Em outras palavras, é parcialmente iluminada pelos raios de luz. Basicamente, elas são produzidas quando objetivos opacos são iluminados por fontes extensas de luz.
Quais são os fenômenos ópticos?
Os fenômenos ópticos são eventos que podem ser observados e que ocorrem por causa da interação da luz com a matéria. Desse modo, os principais propriedades desses fenômenos são:
1- Reflexão
Em resumo, a reflexão é quando a luz incide em uma superfície refletora e retorna para o seu meio de propagação de origem. A reflexão pode ser regular ou difusa.
No caso da regular, os ângulos de incidência e reflexão são iguais. Com isso, os raios incidente e refletido estão no mesmo plano, o que possibilita a formação de imagens refletidas. Por outro lado, na reflexão difusa não conseguimos enxergar as imagens refletidas.
2- Refração
A refração é a passagem de luz em dois meios de diferentes índices de refração. Desse modo, quando a luz passa os meios com diferentes refringências, sua velocidade de propagação muda, isso faz com que ocorram possíveis desvios laterais em sua trajetória.
3- Absorção
É um fenômeno onde ocorre a absorção de uma parte ou toda a luz incidente sobre um corpo. Os corpos que conseguem absorver toda a luz incidente são chamados de corpos negros. No entanto, a maior parte dos corpos não são negros e absorvem apenas uma parte da luz.
4- Transmissão
Em resumo, a transmissão é um processo onde a luz luz atravessa um meio óptico transparente ou translúcido. Ao atravessar esses tipos de meios, a velocidade da luz e a direção de propagação podem mudar, caracterizando assim a refração.
5- Difração
A difração ocorre quando a luz atravessa uma venda cujas dimensões são similares ao seu comprimento de onda. Quando isso ocorre, a fenda produz frentes de ondas circulares.
Portanto, a diferença entre os espaços percorridos pelas frente de ondas esféricas causa um padrão de interferência, produzindo regiões de alta intensidade luminosa, seguidas de regiões de baixa intensidade luminosa.
6- Interferência
Em síntese, a interferência é um fenômeno onde a diferença de fase entre duas ou mais ondas cria regiões de alta ou baixa intensidade luminosa. Neste caso, existe a interferência construtiva e a destrutiva.
Na construtiva, a interação entre ondas que cria ondas de maior amplitude, ao passo em que na destrutiva ocorre a produção de ondas de amplitude mais baixa ou até nula.
7- Polarização
Por fim, a polarização é um processo que define qual deve ser a direção de oscilação do campo elétrico de uma onda eletromagnética. Para isso, a onda deve passar através de um polarizador, para que ocorra a eliminação dos componentes do campo elétrico que não oscilam na direção desejada.
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