O ótica física É a parte da ótica que estuda a natureza ondulatória da luz e os fenômenos físicos que só são compreendidos a partir do modelo ondulatório. Também estuda os fenômenos de interferência, polarização, difração e outros fenômenos que não podem ser explicados pela ótica geométrica..
O modelo de onda define a luz como uma onda eletromagnética cujos campos elétrico e magnético oscilam perpendiculares entre si..
O campo elétrico (E) da onda de luz se comportam de forma semelhante ao seu campo magnético (B), mas o campo elétrico predomina sobre o campo magnético devido à relação de Maxwell (1831-1879), que estabelece o seguinte:
E= cB
Onde c = Velocidade de propagação da onda.
A óptica física não explica o espectro de absorção e emissão dos átomos. Por outro lado, a óptica quântica aborda o estudo desses fenômenos físicos.
Índice do artigo
A história da óptica física começa com os experimentos realizados por Grimaldi (1613-1663), que observou que a sombra projetada por um objeto iluminado parecia mais ampla e circundada por faixas coloridas..
Ele chamou o fenômeno observado de difração. Seu trabalho experimental o levou a propor a natureza ondulatória da luz, em oposição à concepção de Isaac Newton que prevaleceu durante o século XVIII..
O paradigma newtoniano estabelecia que a luz se comportava como um raio de pequenos corpúsculos que se moviam em alta velocidade em trajetórias retilíneas..
Robert Hooke (1635-1703) defendeu a natureza ondulatória da luz, em seus estudos sobre cor e refração, afirmando que a luz se comportava como uma onda sonora propagando-se rapidamente quase instantaneamente através de um meio material..
Mais tarde, Huygens (1629-1695), com base nas ideias de Hooke, consolidou a teoria ondulatória da luz em seu Eu tentei de la lumière (1690) em que ele supõe que as ondas de luz emitidas por corpos luminosos se propagam através de um meio sutil e elástico denominado éter.
A teoria das ondas de Huygens explica os fenômenos de reflexão, refração e difração muito melhor do que a teoria corpuscular de Newton e mostra que a velocidade da luz diminui ao passar de um meio menos denso para um mais denso..
As idéias de Huygens não foram aceitas pelos cientistas da época por dois motivos. O primeiro foi a impossibilidade de explicar satisfatoriamente a definição de éter, e a segunda foi o prestígio de Newton em torno de sua teoria da mecânica, que influenciou uma grande maioria dos cientistas a decidir apoiar o paradigma corpuscular da luz..
No início do século 19, Tomas Young (1773-1829) conseguiu fazer com que a comunidade científica aceitasse o modelo de onda 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) reformulou 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 permitiram verificar que a luz se propaga mais rapidamente no ar do que na água, contrariando a explicação dada por Newton..
Em 1872, Maxwell publicou seu Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo, em que ele enuncia as equações que sintetizam o eletromagnetismo. A partir de suas equações obteve a equação de onda que permitia 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.
A óptica física estuda os fenômenos relacionados à natureza ondulatória da luz, como interferência, difração e polarização.
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..
Bandas brilhantes são produzidas quando várias ondas são adicionadas 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 amplitude inferior, a interferência é chamada de interferência destrutiva e faixas de luz escura são produzidas..
A maneira como as faixas coloridas são distribuídas é chamada de padrão de interferência. A interferência pode ser vista em bolhas de sabão ou camadas de óleo em uma estrada molhada.
O fenômeno da difração é a mudança na direção de propagação que a onda de luz experimenta ao atingir um obstáculo ou abertura, alterando sua amplitude e fase..
Como o fenômeno de 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 da difração predomina sobre o fenômeno da reflexão e refração na determinação da distribuição dos raios da onda de luz, uma vez que atinge o obstáculo..
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 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 paralela a uma linha fixa que descreve uma linha reta no plano de polarização, diz-se que é linearmente polarizada.
Quando o vetor 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 circularmente polarizada..
Se o vetor campo elétrico da onda descreve uma elipse no plano perpendicular à mesma direção de propagação, diz-se que a onda está polarizada elipticamente.
É um filtro que permite que apenas uma parte da luz orientada em uma direção específica passe por ele, sem deixar passar as ondas orientadas em outras direções..
É a superfície geométrica em que todas as partes de uma onda têm a mesma fase.
A 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 têm o mesmo estado de vibração.
É o ângulo de incidência da luz pelo qual a onda de luz refletida da fonte é totalmente polarizada.
Luz não visível ao olho humano no espectro de radiação eletromagnética de 700nm para 1000μm.
É uma constante de velocidade de propagação da onda de luz no vácuo cujo valor é 3 × 108em. O valor da velocidade da luz varia quando se propaga em um meio material.
Medição da distância entre uma crista e outra crista ou entre um vale e outro vale da onda à medida que se propaga.
Radiação eletromagnética não visível com espectro de comprimentos de onda menores que 400nm.
Listadas abaixo estão algumas leis da óptica física que descrevem os fenômenos de polarização e interferência.
1. Duas ondas de luz com polarizações lineares, coerentes e ortogonais não interferem entre si 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 entre si para formar um padrão de interferência..
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:
Eu = eu0porquedoisθ
I =Intensidade de luz transmitida pelo polarizador
θ = Ângulo entre o eixo de transmissão e o eixo de polarização do feixe incidente
eu0 = Intensidade da luz incidente
O feixe de luz refletido por uma superfície é totalmente polarizado, na direção normal ao plano de incidência da luz, quando o ângulo entre o feixe refletido e o feixe refratado é igual a 90.
Algumas das aplicações da ótica física estão no estudo de cristais líquidos, no projeto de sistemas óticos e na metrologia ótica..
Cristais líquidos são materiais que se mantêm entre o estado sólido e o estado líquido, cujas moléculas possuem um momento de dipolo que induz uma polarização da luz que incide sobre elas. A partir dessa propriedade, foram desenvolvidas telas para calculadoras, monitores, laptops e celulares..
Os sistemas ópticos são frequentemente 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, LED, lâmpada de tungstênio ou laser. Exemplos de sistemas ópticos são o difratômetro e o interferômetro.
É responsável por fazer medições de alta resolução de parâmetros físicos com base na onda de luz. Essas medições são feitas com interferômetros e instrumentos refrativos. Na área médica, a metrologia é utilizada para monitorar constantemente os sinais vitais dos pacientes.
Poshakinskiy e Poddubny (1) mostraram que partículas nanométricas com movimento vibratório podem manifestar um efeito ótico-mecânico semelhante ao proposto por Kerker et al (2) em 1983.
O efeito Kerker é um fenômeno óptico que consiste na obtenção de 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 conseguiram o mesmo efeito em partículas nanométricas, sem resposta magnética significativa, que vibram no espaço..
Os autores demonstraram que as vibrações das partículas podem criar polarizações magnéticas e elétricas de interferência apropriada, porque os componentes de polaridade magnética e elétrica da mesma ordem de magnitude são induzidos na partícula quando o espalhamento inelástico da luz é considerado..
Os autores propõem a aplicação do efeito ótico-mecânico em dispositivos óticos nanométricos fazendo-os vibrar pela aplicação de ondas acústicas..
Dhatchayeny e Chung (3) propõem um sistema experimental de comunicação óptica extracorpórea (OEBC) que pode transmitir informações de sinais vitais de pessoas por meio de aplicativos em telefones celulares com tecnologia Android. O sistema consiste em um conjunto de sensores e um concentrador de diodo (matriz de LED).
Os sensores são colocados em várias partes do corpo para detectar, processar e comunicar sinais vitais, como pulso, temperatura corporal e frequência respiratória. Os dados são coletados por meio da matriz de LED e transmitidos pela câmera do telefone móvel com o aplicativo óptico.
A matriz de LED emite luz na faixa de comprimento de onda de espalhamento Rayleigh Gans Debye (RGB). Cada cor e combinação de cores da luz emitida estão relacionadas aos sinais vitais.
O sistema proposto pelos autores pode facilitar o monitoramento dos sinais vitais de forma confiável, uma vez que os erros nos resultados experimentais foram mínimos..
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