Óptica física: história, termos frequentes, leis, aplicações

A óptica física é parte da óptica estudar a natureza da onda de luz e os fenómenos físicos que compreendem apenas a partir do modelo de onda. Também estuda os fenômenos de interferência, polarização, difração e outros fenômenos que não podem ser explicados da perspectiva geométrica.

O modelo de onda define luz como uma onda eletromagnética cujos campos elétricos e magnéticos oscilam perpendicularmente um ao outro.

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Onda eletromagnética [de Lennart Kudling Raphaël Deknop (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electromagnetic_wave_color.pdf)]

O campo elétrico ( E ) da onda de luz se comporta de maneira semelhante ao seu campo magnético ( B ), mas o campo elétrico predomina sobre o campo magnético pela razão de Maxwell (1831 a 1879), que afirma o seguinte:

E = cB

Onde c = velocidade de propagação da onda.

A óptica física não explica o espectro de absorção e emissão de átomos. Por outro lado, a óptica quântica aborda o estudo desses fenômenos físicos.

História

A história da óptica física começa com os experimentos realizados por Grimaldi (1613-1663), que observaram que a sombra projetada por um objeto iluminado era mais ampla e cercada por listras coloridas.

O fenômeno observado foi chamado de difração. Seu trabalho experimental o levou a elevar a natureza ondulatória da luz, em oposição à concepção de Isaac Newton que prevaleceu durante o século XVIII.

O paradigma newtoniano estabeleceu que a luz se comportava como um raio de pequenos corpúsculos que se moviam a grande velocidade em trajetórias retilíneas.

Robert Hooke (1635-1703) defendeu a natureza das ondas da luz, em seus estudos sobre cor e refração, afirmando que a luz se comportava como uma onda sonora se espalhando rapidamente quase instantaneamente através de um meio material.

Mais tarde, Huygens (1629-1695), baseado nas idéias de Hooke, consolidou a teoria das ondas de luz em seu Traité de la lumière (1690), no qual ele assume que as ondas de luz emitidas pelos corpos luminosos se propagam através de um meio sutil e elástico chamado éter .

A teoria das ondas de Huygens explica os fenômenos de reflexão, refração e difração muito melhores que a teoria corpuscular de Newton e demonstra que a velocidade da luz diminui à medida que passa de um meio menos denso para um mais denso.

As idéias de Huygens não foram aceitas pelos cientistas da época por dois motivos. A primeira foi a incapacidade de explicar satisfatoriamente a definição de éter, e a segunda foi o prestígio de Newton em torno de sua teoria da mecânica que influenciou a grande maioria dos cientistas a decidir apoiar o paradigma corpuscular da luz.

Renascimento da teoria das ondas

No início do século XIX, Tomas Young (1773-1829) levou a comunidade científica a aceitar o modelo de ondas de Huygens com base nos resultados de seu experimento de interferência de luz. O experimento permitiu determinar os comprimentos de onda das diferentes cores.

Em 1818, Fresnell (1788-1827) repensou a teoria das ondas de Huygens com base no princípio da interferência. Ele também explicou o fenômeno da birrefringência da luz, o que lhe permitiu afirmar que a luz é uma onda transversal.

Em 1808, Arago (1788-1853) e Malus (1775-1812) explicaram o fenômeno da polarização da luz a partir do modelo de onda.

Os resultados experimentais de Fizeau (1819-1896) em 1849 e Foucalt (1819-1868) em 1862 nos permitiram verificar que a luz se propaga mais rapidamente no ar do que na água, contradizendo a explicação de Newton.

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Em 1872, Maxwell publicou seu Tratado de Eletricidade e Magnetismo, no qual enunciava as equações que sintetizam o eletromagnetismo. A partir de suas equações, ele obteve a equação de onda que permitiu analisar o comportamento de uma onda eletromagnética.

Maxwell descobriu que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética está relacionada ao meio de propagação e coincide com a velocidade da luz, concluindo que a luz é uma onda eletromagnética.

Finalmente, Hertz (1857-1894) em 1888 consegue produzir e detectar ondas eletromagnéticas e confirma que a luz é um tipo de onda eletromagnética.

O que a óptica física estuda?

A óptica física estuda fenômenos relacionados à natureza das ondas da luz, como interferência, difração e polarização.

Interferência

Interferência é o fenômeno pelo qual duas ou mais ondas de luz se sobrepõem coexistindo na mesma região do espaço, formando faixas de luz brilhante e escura.

Faixas brilhantes ocorrem quando várias ondas se somam para produzir uma onda de maior amplitude. Esse tipo de interferência é chamado de interferência construtiva.

Quando as ondas se sobrepõem para produzir uma onda de menor amplitude, a interferência é chamada interferência destrutiva, e faixas escuras de luz são produzidas.

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Interferência [Por Inductiveload (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Constructive_interference.svg)]

A maneira como as faixas coloridas são distribuídas é chamada de padrão de interferência. A interferência pode ser observada nas bolhas de sabão ou nas camadas de óleo de uma estrada molhada.

Difração

O fenômeno da difração é a mudança na direção da propagação que a onda de luz experimenta quando afeta um obstáculo ou abertura, alterando sua amplitude e sua fase.

Como o fenômeno da interferência, a difração é o resultado da superposição de ondas coerentes. Duas ou mais ondas de luz são coerentes quando oscilam com a mesma frequência, mantendo uma relação de fase constante.

À medida que o obstáculo se torna cada vez menor em relação ao comprimento de onda, o fenômeno de difração predomina sobre o fenômeno de reflexão e refração na determinação da distribuição dos raios da onda de luz, uma vez que atinge o obstáculo. .

Polarização

Polarização é o fenômeno físico pelo qual a onda vibra em uma única direção perpendicular ao plano que contém o campo elétrico. Se a onda não tem uma direção fixa de propagação, diz-se que a onda não está polarizada. Existem três tipos de polarização: polarização linear, polarização circular e polarização elíptica.

Se a onda vibra paralelamente a uma linha fixa que descreve uma linha reta no plano de polarização, diz-se que ela é polarizada linearmente.

Quando o vetor de campo elétrico da onda descreve um círculo no plano perpendicular à mesma direção de propagação, mantendo sua magnitude constante, diz-se que a onda é polarizada circularmente.

Se o vetor de campo elétrico da onda descreve uma elipse no plano perpendicular à mesma direção de propagação, diz-se que a onda é polarizada elipticamente.

Termos frequentes em óptica física

Polarizador

É um filtro que permite que apenas uma parte da luz orientada em uma única direção específica passe por ela sem deixar que as ondas que são orientadas em outras direções.

Frente de onda

É a superfície geométrica na qual todas as partes de uma onda têm a mesma fase.

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Amplitude e fase da onda

Amplitude é o alongamento máximo de uma onda. A fase de uma onda é o estado de vibração em um instante de tempo. Duas ondas estão em fase quando elas têm o mesmo estado de vibração.

Ângulo de Brewster

É o ângulo de incidência da luz através do qual a onda de luz refletida na fonte é completamente polarizada.

Infravermelho

Luz não visível pelo olho humano no espectro da radiação eletromagnética de 700 nm a 1000 μm.

Velocidade da luz

É uma constante de propagação da onda de luz no vácuo cujo valor é 3 × 10 8 m / s. O valor da velocidade da luz varia quando propagado em um meio material.

Comprimento de onda

Medição da distância entre uma crista e outra crista ou entre um vale e outro vale da onda à medida que ela se propaga.

Ultravioleta

Radiação eletromagnética não visível com espectro de comprimento de onda inferior a 400 nm.

Leis da óptica física

Abaixo estão algumas leis da óptica física que descrevem os fenômenos de polarização e interferência

Leis de Fresnell e Arago

1. Duas ondas de luz com polarizações lineares, coerentes e ortogonais não interferem umas com as outras para formar um padrão de interferência.
2. Duas ondas de luz com polarizações lineares, coerentes e paralelas podem interferir em uma região do espaço.
3. Duas ondas de luz natural com polarizações lineares, não coerentes e ortogonais não interferem umas com as outras para formar um padrão de interferência.

Malus Law

A Lei de Malus afirma que a intensidade da luz transmitida por um polarizador é diretamente proporcional ao quadrado do cosseno do ângulo que forma o eixo de transmissão do polarizador e o eixo de polarização da luz incidente. Em outras palavras:

I = I cos 2 θ

I = Intensidade da luz transmitida pelo polarizador

θ = ângulo entre o eixo de transmissão e o eixo de polarização do feixe incidente

I = Intensidade da luz incidente

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Lei de Malus [Por Fresheneesz (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Malus_law.svg)]

Lei de Brewster

O feixe de luz refletido por uma superfície é completamente polarizado, na direção normal ao plano de incidência da luz, quando o ângulo formado pelo feixe refletido com o feixe refratado é igual a 90 °.

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Lei de Brewster [Por Pajs (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brewsters-angle.svg)]

Aplicações

Algumas das aplicações da óptica física são encontradas no estudo de cristais líquidos, no design de sistemas ópticos e na metrologia óptica.

Cristais líquidos

Cristais líquidos são materiais que permanecem entre o estado sólido e o líquido, cujas moléculas têm um momento dipolar que induz uma polarização da luz que incide sobre eles. A partir dessa propriedade, telas de calculadora, monitores, laptops e telefones celulares foram desenvolvidos.

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Relógio digital com tela de cristal líquido (LCD) [Por BBCLCD (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Casio_LCD_Watch_F-E10.jpg)]

Projeto de sistemas ópticos

Freqüentemente, os sistemas ópticos são usados ​​na vida cotidiana, na ciência, na tecnologia e na saúde. Os sistemas ópticos permitem processar, registrar e transmitir informações de fontes de luz como o sol, o LED, a lâmpada de tungstênio ou o laser. Exemplos de sistemas ópticos são o difratômetro e o interferômetro.

Metrologia óptica

É responsável por realizar medições de alta resolução de parâmetros físicos com base na onda de luz. Essas medições são feitas com interferômetros e instrumentos de refração. Na área médica, a metrologia é usada para monitorar constantemente os sinais vitais dos pacientes.

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Pesquisa recente em Óptica Física

Efeito Kerker optomecânico (AV Poshakinskiy1 e AN Poddubny, 15 de janeiro de 2019)

Poshakinskiy e Poddubny (1) demonstraram que partículas nanométricas com movimento vibratório podem manifestar um efeito óptico-mecânico semelhante ao proposto por Kerker et al (2) em 1983.

O efeito Kerker é um fenômeno óptico que consiste em obter uma forte direcionalidade da luz espalhada por partículas esféricas magnéticas. Essa direcionalidade requer que as partículas tenham respostas magnéticas da mesma intensidade que as forças elétricas.

O efeito Kerker é uma proposta teórica que requer partículas materiais com características magnéticas e elétricas que atualmente não existem na natureza. Poshakinskiy e Poddubny alcançaram o mesmo efeito em partículas nanométricas, sem resposta magnética significativa, que vibram no espaço.

Os autores demonstraram que as vibrações da partícula podem criar polarizações elétricas e magnéticas que interferem adequadamente, pois componentes de polaridade magnética e elétrica da mesma ordem de grandeza são induzidos na partícula quando se considera a dispersão inelástica da luz.

Os autores propõem a aplicação do efeito óptico-mecânico em dispositivos ópticos nanométricos, vibrando-os pela aplicação de ondas acústicas.

Comunicação óptica extracorpórea (DR Dhatchayeny e YH Chung, maio de 2019)

Dhatchayeny e Chung (3) propõem um sistema experimental de comunicação óptica extracorpórea (OEBC) que pode transmitir informações dos sinais vitais das pessoas por meio de aplicativos em telefones celulares com a tecnologia Android. O sistema consiste em um conjunto de sensores e um concentrador de diodos (conjunto de LEDs).

Os sensores são colocados em várias partes do corpo para detectar, processar e comunicar sinais vitais, como pulso, temperatura corporal e freqüência respiratória. Os dados são coletados através do conjunto de LEDs e transmitidos através da câmera do telefone móvel com o aplicativo óptico.

O conjunto de LEDs emite luz na faixa de comprimento de onda de dispersão Rayleigh Gans Debye (RGB). Cada cor e combinações de cores da luz emitida estão relacionadas aos sinais vitais.

O sistema proposto pelos autores pode facilitar o monitoramento confiável dos sinais vitais, uma vez que os erros nos resultados experimentais foram mínimos.

Referências

  1. Efeito Kerker optomecânico. Poshakinskiy, AV e Poddubny, A. N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, p. 2160-3308.
  2. Espalhamento eletromagnético por esferas magnéticas. Kerker, M, Wang, DS e Giles, LC L. 6, 1982, Jornal da Sociedade Óptica da América, Vol. 73.
  3. Comunicação óptica extra-corpo usando câmeras de smartphone para transmissão de sinais vitais humanos. Dhatchayeny, D e Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
  4. Al-Azzawi, A. Princípios e práticas da óptica física. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
  5. Grattan-Guiness, I. Enciclopédia Companheira da História e Filosofia das Ciências Matemáticas. Nova York, EUA: Routledge, 1994, Vol. II.
  6. Akhmanov, SA e Nikitin, S. Yu. Óptica Física Nova York: Oxford University Press, 2002.
  7. Lipson, A, Lipson, SG e Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press, 2011.
  8. Mickelson, A. R. Physical Optics. Nova York: Springer Science + Business Media, 1992.
  9. Jenkins, FA e White, H. E. Fundamentos de óptica. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.

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