FÍSICA ÓPTICA: HISTÓRIA, TERMOS FREQUENTES, LEIS, APLICAÇÕES - FISICA - 2025

A óptica física faz parte da óptica estudando a natureza ondulatória da luz e os fenômenos físicos que só são compreendidos a partir do modelo de onda. Também estuda os fenômenos de interferência, polarização, difração e outros fenômenos que não podem ser explicados a partir da óptica geométrica.

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

Onda eletromagnética

O campo elétrico (E) da onda de luz se comporta 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:

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.

História

A história da ótica física começa com os experimentos realizados por Grimaldi (1613-1663), que observou que a sombra projetada por um objeto iluminado parecia mais ampla e era circundada por listras 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 viajavam em alta velocidade em caminhos retilíneos.

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 Traité de la lumière (1690), no qual ele assumiu que as ondas de luz emitidas por 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 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 ideias de Huygens não foram aceitas pelos cientistas da época por dois motivos. O primeiro foi a impossibilidade de explicar de forma satisfatória a definição do éter, e o segundo 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.

Renascimento da teoria das ondas

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 em termos do princípio de 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 de Newton.

Em 1872, Maxwell publicou seu Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo, no qual expôs as equações que sintetizam o eletromagnetismo. A partir de suas equações, ele obteve a equação de onda que lhe 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 conseguiu produzir e detectar ondas eletromagnéticas e confirmar que a luz é um tipo de onda eletromagnética.

O que a óptica física estuda?

A óptica física estuda os fenômenos relacionados à natureza ondulatória 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.

As 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.

Interferência

A forma 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.

Difração

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 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 fica cada vez menor em comparação com o 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 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, ela é considerada linearmente polarizada.

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

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

Termos Freqüentes em Óptica Física

Polarizando

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

Frente onda

É a superfície geométrica em que todas as partes de uma onda têm a mesma fase.

Amplitude e fase da onda

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.

Ângulo de Brewster

É o ângulo de incidência da luz pelo qual a onda de luz refletida da fonte é totalmente polarizada.

Infravermelho

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

Velocidade da luz

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

Comprimento de onda

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

Ultravioleta

Radiação eletromagnética não visível com espectro de comprimentos de onda menores que 400 nm.

Leis da Óptica Física

Abaixo são mencionadas 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 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.

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 = intensidade da luz transmitida pelo polarizador

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

I ₀ = intensidade da luz incidente

Malus Law

Lei de Brewster

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 °.

Lei de Brewster

Formulários

Algumas das aplicações da óptica física estão no estudo de cristais líquidos, no projeto de sistemas ópticos e na metrologia óptica.

Cristais líquidos

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 telefones celulares.

Relógio digital com tela de cristal líquido (LCD)

Projeto de sistemas ópticos

Os sistemas ópticos são frequentemente usados ​​na vida cotidiana, na ciência, na tecnologia e na saúde. Os sistemas ópticos permitem que as informações sejam processadas, registradas e transmitidas de fontes de luz como o sol, LED, lâmpada de tungstênio ou laser. Exemplos de sistemas ópticos são o difratômetro e o interferômetro.

Metrologia ótica

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 refrativos. Na área médica, a metrologia é utilizada para monitorar constantemente os sinais vitais dos pacientes.

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 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 magnéticas esféricas. 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 mostraram que as vibrações das partículas podem criar polarizações magnéticas e elétricas de interferência apropriada, porque componentes de polaridade magnética e elétrica da mesma ordem de magnitude são induzidas 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.

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 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 hub de diodo (matriz de LED).

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 LEDs e transmitidos pela câmera do celular 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.

Referências

1. Efeito Kerker Optomecânico. Poshakinskiy, AV e Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Espalhamento eletromagnético por esferas magnéticas. Kerker, M, Wang, DS e Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
3. Comunicação ótica fora do 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. Physical Optics Principles and Practices. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. Nova York, US: 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. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.