A óptica e a tecnologia

A óptica e a tecnologia

03/01/2018

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   O que a óptica e a tecnologia tem a ver? Já pensou nisso? Não? Eu pensei, pesquisei e vi que tem tudo a ver. Na tela do seu celular, numa câmera digital, num projetor multimídia, numa TV CRT, LED ou LCD, na internet via fibra óptica, num leitor de CD/DVD/BluRay, enfim, são várias as tecnologias em que a óptica é fundamental, e por meio desta nova série de artigos quero explicar o funcionamento de cada aparelho que citei acima.

  Obs.: Se você estiver lendo os artigos sobre eletrônica, você também vai entender melhor o funcionamento de todas estas tecnologias.

  Para que você entenda melhor, vou começar a explicar algumas coisas sobre óptica. Então, se concentre, que o assunto é meio complexo!

   A óptica é dividida em duas partes: óptica geométrica e óptica física. A óptica geométrica estuda os fenômenos luminosos e suas aplicações baseando-se na descrição da luz nos fenômenos de refração e reflexão. Na óptica física, se estuda os fenômenos envolvendo a luz.

 1. Os objetos ao nosso redor podem ser divididos em dois grupos, segundo a óptica:

 

  Fonte de luz primária:

  Corpo que emite luz. Uma lâmpada por exemplo, utiliza da energia elétrica para emitir luz, portanto ela pode ser considerada uma fonte de luz primária. O sol é outra fonte de luz primária, já que ele emite energia luminosa.

 

  Fonte de luz secundária:

  É um corpo que reflete a luz emitida por outro corpo. A lua, por exemplo, apenas reflete a luz do sol. Outra fonte de luz secundária, por exemplo, pode ser um objeto que reflete a luz emitida por uma lâmpada dentro de uma sala.

 

2. Os corpos que emitem luz podem ser classificados de acordo com as dimensões através da distância entre o corpo e observador:

 

  Fonte de luz extensa:

  É quando podemos identificar o objeto emissor de luz, pois ele está próximo. Um bom exemplo é o da lâmpada, que podemos identificar suas dimensões dentro de uma sala, já que estamos próximos dela.

 

  Fonte de luz puntiforme (também pode ser chamada de pontual):

  Quando o corpo emissor de luz está muito longe do observador e não é possível identifica-lo. Um bom exemplo é uma estrela, que tem dimensões extremamente grandes mas, se vista da terra por um observador é apenas um ponto luminoso. Outro exemplo é os pixels de uma tela de TV. Por serem extremamente pequenos, de longe não podemos identifica-los separadamente, pois são milhares ou até milhões num espaço pequeno, mas podemos ver a imagem completa formada pela combinação de todos eles.

 

3. Uma fonte de luz também pode ser classificada de acordo com a luz emitida:

 

Luz monocromática:

  É uma luz de apenas uma cor. Normalmente é formada por uma das cores do espectro visível, que será estudado mais adiante neste artigo. Por exemplo, o laser de um leitor de CD/DVD/BluRay possui apenas uma cor.

 

Luz policromática:

  É uma luz formada pela combinação de cores. Numa tela de celular, por exemplo, a cor de cada pixel é formada através da combinação das cores verde, vermelho e azul. A luz do sol é a combinação de todas as cores do espectro visível.

 

4. A luz trafega em uma determinada velocidade, que depende do meio em que ela se encontra. Por exemplo, a velocidade da luz no vácuo é muito maior do que a velocidade da luz na água. A luz no vácuo, viaja a aproximadamente 300.000 Km/s, já em outros materiais ela atinge valores menores.

  Uma lâmpada emite luz em todas as direções e chega ao olho do observador, como representado na imagem ao lado. Para representar isso utilizei segmentos de reta orientados, que podem ser chamados de raios de luz. Os raios de luz representam a trajetória da luz que sai da fonte e vai até o observador ou até o(s) objeto(s).

  Um conjunto de raios de luz forma um feixe de luz ou pincel de luz. Existem três tipos de feixe de luz:

   Para que possamos enxergar os feixes de luz, deve se ter no ambiente partículas de fumaça ou poeira, por exemplo, num lugar escuro para que haja interação da luz com estes corpos e a gente possa ver o feixe de luz atingindo objetos. Podemos concluir então que o feixe de luz é invisível, não conseguimos enxerga-lo, apenas vemos a reação criada quando o pincel de luz atinge corpos, se propagando em uma determinada direção.

   Os objetos são um meio de propagação da luz: Eles podem barrar a passagem da luz, ou seja, ela vai ser refletida; podem distorce-la ou deixar passa-la por completo, ou seja, ela vai ser refratada. Quando as ondas luminosas passam de um meio homogêneo transparente para outro meio com as mesmas características, podem ocorrer alterações na direção e na velocidade de propagação da luz.

  Um vidro comum, por exemplo, permite a passagem da luz sem problemas, já um boxe de banheiro, normalmente distorce a luz, deixando a imagem borrada. Uma parede bloqueia a passagem da luz, fazendo com que não enxergamos através dela.

  Os meios de propagação podem ser classificados de acordo com sua capacidade de refração da luz:

  Um meio de propagação pode ser chamado de transparente quando proporciona a nitidez na visualização de objetos através dele. Um meio de propagação é chamado de opaco quando não é possível enxergar através dele. Os meios translúcidos fazem com que os feixes luminosos sejam refratados de forma difusa, o que não provoca a visualização nítida dos objetos.

  Quando um feixe de luz passa de um meio de propagação para outro, acontece uma redução ou um aumento na velocidade de propagação e uma leve mudança de direção da luz. Isso acontece de acordo com o índice de refração do material em que a luz se propaga. Veja a tabela abaixo:

   O vácuo possui o menor índice de refração e por isso a maior velocidade de propagação da luz: 300.000 Km/s. A velocidade de propagação da luz no ar é próxima a velocidade da luz no vácuo, portanto o índice de refração é um pouco maior que 1. Quando há duas ou mais camadas de um mesmo material (um bom exemplo é o ar) e uma dessas camadas possui uma temperatura maior que a outra, o índice de refração delas será diferente.

  O meio de propagação que tiver um índice de refração maior é chamado de mais refringente. Quando a luz passa de um meio para outro que é mais refringente, ocorre a aproximação da reta normal (N). Neste caso a velocidade de propagação será menor neste segundo meio. Quando acontece o contrário, ou seja, a luz passa de um meio mais refringente para outro menos refringente, a luz afasta-se da reta normal (N) e se propaga numa velocidade mais alta. Veja a ilustração abaixo:

  Quando a luz incide sobre a reta N, ou seja, de forma perpendicular, não há desvio, mas há refração e mudança de velocidade de propagação.

  A o índice de refração absoluto (n) é igual a velocidade da luz no vácuo(VL) dividida pela velocidade da luz no meio considerado (CL).

   Há casos em que o meio é tão translúcido que a luz é absorvida e não conseguimos enxergar nada através dele. Isso acontece com a água: em pouca profundidade ocorre a propagação da luz, mas de forma translúcida, já em grande profundidade (água no oceano, por exemplo) ocorre a absorção da luz. Esse meio irá superaquecer, pois já que a luz não é refratada e nem refletida, a energia luminosa é transformada em energia térmica. Como isso acontece? Continue lendo que você entenderá!

   Quando incide luz em um objeto e ele é opaco, ocorre os fenômenos de reflexão da luz. Existem duas formas da luz ser refletida: reflexão regular e reflexão difusa. Veremos cada um deles na figura abaixo:

  Perceba que numa superfície plana os raios refletem de forma regular e numa superfície com imperfeições os raios luminosos refletem de forma difusa. A reflexão e a absorção pode variar de acordo com as características do objeto e da cor da luz que incide nele. É o que veremos abaixo.

  Mesmo um material refratando a luz, ele poderá refletir uma parte dela. O ângulo-limite é o que define o ponto em que a luz será totalmente refletida.

  O ângulo-limite depende do resultado do Índice de refração do meio mais refringente em relação ao menos refringente. Se a incidência de luz superar o ângulo-limite irá o ocorrer o fenômeno de reflexão total, desde que a luz se propague de um meio mais refringente para um menos refringente e o ângulo de incidência seja maior que o ângulo-limite.

  A cor de um objeto ou corpo depende de suas características físicas e da cor da luz que o ilumina. Um corpo iluminado com uma luz branca apresenta a cor vermelho por refletir difusamente esta cor e absorver as outras. Há também os filtros de cores, também chamados de espelhos dicróicos, que são transparentes apenas para uma ou algumas cores. Um filtro de cor vermelho sobre uma luz branca, por exemplo, irá refratar apenas a cor vermelha e absorver as demais cores. Uso como exemplo a luz branca pois ela é a combinação de todas as outras cores.

  A quantidade de cores que enxergamos é o espectro eletromagnético cuja radiação é composta por fótons, sendo portanto, luz visível. O olho humano é sensível a estes fótons, o que permite enxergarmos as cores.

  A luz é uma onda eletromagnética mas, também é uma partícula, pois apresenta os fenômenos de refração, reflexão, absorção e dispersão, que são característicos das ondas. Mas para entender fenômenos fotoelétricos como o funcionamento de um fotodiodo, células fotovoltaicas e sensores fotovoltaicos, devemos entender que a luz é composta de partículas, denominadas fótons.

  Cada cor que o olho humano capta, possui uma frequência e um comprimento. Quanto maior o comprimento da onda, menor é sua frequência. Veja a tabela abaixo:

  O espectro visível do olho humano vai das cores vermelho ao violeta que possuem comprimento de onda que vai de 390 nm a 780 nm e frequências na faixa de 3,84 a 7,69 TeraHertz. Quando recebemos raios de luz em frequências diferentes a estas enxergamos outras cores, que são nada mais do que a combinação de cores apresentadas na tabela. Como foi dito acima, a cor branca é a combinação de todas as outras cores. Observe a imagem:

  Os fótons são os mediadores da força eletromagnética, que é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Fótons são partículas que formam a luz. Estas partículas transportam energia.

  Segundo Einstein, um fóton possui quantidade fixa de energia, que é definida pela frequência de radiação eletromagnética (f) multiplicado pela constante de Planck (c), que vale 6,63 x 10 elevado a -34 J.s ou 4,14 x 10 e –15 eV.s.

  Outra forma de calcular a energia de um fóton é multiplicando a sua massa(m) pela velocidade da luz (L), que é 299.792.458 metros por segundo.

  Quando um fóton interage com a matéria, há um movimento, isso gera transferência de energia. A quantidade de movimento(Q) pode ser definida pela constante de Planck (c) dividida pelo comprimento da onda (O), que é dada em nanômetros:

  Com isso você vai conseguir entender que a absorção da luz por um meio de propagação gera calor. E nos próximos artigos vai conseguir entender também o funcionamento de placa solares e resistores LDR.

  O sistema de cores mais utilizado em reprodução e gravação de imagens por aparelhos eletrônicos, utiliza o sistema de cores RGB (Vermelho, Verde e Azul), portanto uma imagem quando reproduzida, apresenta a sobreposição de um tom de verde com um tom de vermelho e um tom de azul.

  Para formar a cor branca, é necessário a combinação das cores verde, vermelho e azul, e por isso lugares bastante iluminados com uma luz branca, fazem com que objetos claros fiquem esverdeados numa fotografia.

 

  Um outro sistema de cores que também é utilizado é o CMYK (Ciano, Magenta e Amarelo). A cor preta é a combinação destas três cores. O sistema CMYK é mais utilizado em impressoras e alguns projetores DLP.

 

Magenta + Amarelo = Vermelho

Magenta + Ciano = Azul

Amarelo + Ciano = Verde

Vermelho + Azul + Verde = CMYK = Branco

Ciano + Magenta + Amarelo = RGB = Preto

   Combinando estas cores entre sí, temos milhares de outras cores, observe os exemplos:

Amarelo + Vermelho = Laranja

Azul + Laranja = Marrom

 

  Portanto, filtros Verde, Ciano e Amarelo não devem ser utilizados para que objetos claros em uma paisagem capturada por uma câmera não fique ainda mais esverdeada.

 

  Num circuito eletrônico, as cores são representadas por códigos hexadecimais que são convertidos em linguagem de máquina (pulsos elétricos), enfim, você verá mais adiante, em artigos sobre eletrônica e software.

  Nos leitores de CDs são utilizados prismas para desviar a luz. Mas como funciona este componente? Um prisma são duas superfícies não paralelas homogêneas e transparentes. Eles podem ser utilizados para gerar um desvio nos raios luz com base nos princípios da refração. Os modelos utilizados em blocos ópticos de leitores de CD/DVD/BluRay utilizam os prismas de reflexão total para mudar a direção de propagação da luz.

  Para cada utilidade é desenvolvido um com características específicas. Por exemplo, a imagem no cabeçalho do artigo é de um prisma que recebe a luz branca e provoca a decomposição dela, mostrando todas as cores do espectro visível que a compõe. Cada componente da luz branca sofre um desvio diferente. A luz vermelha é a que menos sofre pois possui um comprimento de onda maior a uma frequência menor, e isso, juntamente com o meio em que a luz se propaga influi na velocidade de propagação. Já a luz violeta é a que mais sofre desvio pois é o contrário das características da luz vermelha, portanto o índice de refração do material é maior para a luz violeta.

  Um tipo de prisma muito utilizado nos projetores com tecnologia 3LCD, que será explicada nos próximos artigos, é o prisma dicróico. Ele consiste em quatro prismas, que formam um retângulo, e que recebem as cores RGB e as combinam para formar uma quarta cor. Observe o desenho abaixo:

   Lembre-se do que foi falado anteriormente: verde + vermelho + azul = branco. Cada prisma recebe uma das três cores do sistema RGB e um quarto prisma "junta" essas três cores formando uma quarta cor.

  As superfícies dos prismas devem ser muito bem alinhadas, pois qualquer imprecisão pode gerar linhas pretas e imagens duplicadas.

 

  Isso é o básico sobre óptica mas já é o suficiente para entender o funcionamento das tecnologias presentes em seu dia-a-dia.

  No próximo artigo sobre óptica falaremos sobre lentes. Elas são muito utilizadas em aparelhos eletrônicos que captam, reproduzem imagens e armazenam informações.

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FONTES e CRÉDITOS

 

Desenhos, imagens e texto: Leonardo Ritter

Referências: livro de física do 2º ano do ensino médio; Brasil Escola; Mundo Educação; www.3LCD.com; www.sofisica.com.br

 

Última atualização: 08 de Maio de 2018.

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