História da óptica física, termos frequentes, leis, pedidos

O Óptica física É a parte da óptica que estuda a natureza onduladora de fenômenos leves e físicos que são entendidos apenas do modelo ondulatório. Também estuda os fenômenos de interferência, polarização, difração e outros fenômenos que não podem ser explicados da perspectiva geométrica.

O modelo ondulatório define luz como uma onda eletromagnética cujos campos elétricos e magnéticos variam perpendicularmente entre si.

Onda eletromagnética [de Lennart Kudling Raphaël Deknop (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: Electromagnetic_wave_color.Pdf)]

O campo elétrico (E) Ondas de luz se comportam de maneira semelhante ao seu campo magnético (B), mas o campo elétrico no magnético predomina pelo relacionamento de Maxwell (1831-1879) que estabelece o seguinte:

E= Cb

Onde c = Velocidade de propagação de ondas.

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

[TOC]

História

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

O fenômeno observado o chamou de difração. Seu trabalho experimental o levou a elevar a natureza ondulada da luz, em oposição à concepção de Isaac Newton que predominou durante o século 18.

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

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

Mais tarde Huygens (1629-1695), com base nas idéias de Hooke, consolidou a teoria da luz ondulada em seu Eu traço de la lumière (1690) em que as ondas leves emitidas pelos corpos luminosos são propagados através de um meio sutil e elástico chamado éter.

A teoria ondulada de Huygens explica os fenômenos de reflexão, refração e difração muito melhor do que a teoria corpuscular de Newton e demonstra que a velocidade da luz diminui, passando de um meio menos denso para mais um 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 o segundo foi o prestígio de Newton em torno de sua teoria sobre a mecânica que influenciou uma grande maioria dos cientistas a decidir apoiar o paradigma corpuscular da luz.

Renascença da teoria ondulada

No início do século XIX, Tomas Young (1773-1829) faz com que a comunidade científica aceite o modelo ondulatório de Huygens a partir dos resultados de seu experimento de interferência de luz. O experimento permitiu determinar os comprimentos de onda das diferentes cores.

Em 1818, Fresnell (1788-1827) repensa a teoria ondulada de huygens com base no princípio de interferência. Ele também explicou o fenômeno de Birrefringencia de la 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 do modelo ondulatório.

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

Pode atendê -lo: o que é relativa e absoluta aspereza?

Em 1872, Maxwell publica seu Tratado sobre eletricidade e magnetismo, em que enuncia as equações que sintetizam o eletromagnetismo. De suas equações, ele 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 confirmar que a luz é um tipo de onda eletromagnética.

Quais estudos óptica física?

Estudos de óptica física fenômenos relacionados à natureza ondulada da luz, como interferência, difração e polarização.

Interferência

A interferência é o fenômeno pelo qual duas ou mais ondas leves se sobrepõem à coexistência na mesma região do espaço, formando faixas claras brilhantes e escuras.

As faixas brilhantes ocorrem quando várias ondas são adicionadas para produzir uma onda mais alta. Este tipo de interferência é chamado de interferência construtiva.

Quando as ondas se sobrepõem para produzir uma onda de largura mais baixa, a interferência é chamada de interferência destrutiva, e bandas de luz escura são produzidas.

Interferência [por InductiveLoad (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: construtivo_interference.Svg)]]

A maneira como as bandas coloridas são distribuídas é chamado padrão de interferência. A interferência pode ser vista nas bolhas de sabão ou nas camadas de óleo de uma estrada molhada.

Difração

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

Como o fenômeno de interferência, a difração é o resultado da sobreposição de ondas coerentes. Duas ou mais ondas leves são consistentes quando variam com a mesma frequência, mantendo uma relação de fase constante.

À medida que o obstáculo está aumentando.

Polarização

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

Se a onda vibrar paralela a uma linha fixa descrevendo uma linha reta no plano de polarização, diz -se que é linearmente polarizada.

Quando o 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 de onda descrever uma elipse no plano perpendicular à mesma direção de propagação, diz -se que a onda é elipticamente polarizada.

Termos frequentes na óptica física

Polarizando

É um filtro que permite apenas parte da luz que é orientada em uma única direção específica, passa por ele sem perder as ondas que são orientadas em outras direções.

Pode atendê -lo: Diagrama do corpo livre

Frente de onda

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

Amplitude e fase de 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 de luz através do qual a onda de luz refletida é completamente polarizada.

Infravermelho

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

Velocidade da luz

É uma constante velocidade de propagação da onda luminosa no vazio cujo valor é 3 × 10⁸EM. A luz da luz da luz varia ao se espalhar em um meio de material.

Comprimento de onda

Medida da distância entre uma crista e outra crista ou entre um vale e outro vale de onda para se espalhar.

Ultravioleta

Radiação eletromagnética não visível com espectro de comprimento de onda menor que 400nm.

Leis de óptica física

Algumas leis da óptica física que descrevem os fenômenos de polarização e interferência são mencionadas abaixo

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 leves naturais com polarizações lineares, não coerentes e ortogonais não interferem entre si para formar um padrão de interferência.

Lei de Malus

A lei de Malus estabelece 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 do incidente da luz. Em outras palavras:

I = i₀cos²θ

I =Itensidade de luz transmitida pelo polarizador

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

Yo₀ = Intensidade da luz incidente

Malus Law [por Freshneesz (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: malus_law.Svg)]]

Lei de Brewster

O feixe de luz refletido por uma superfície é completamente polarizado, na direção normal para o plano de incidência de luz, quando o ângulo que forma o feixe refletido com o feixe refratado é igual a 90 °.

Lei de Brewster [de Pajs (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: Brewsters-Gange.Svg)]]

Formulários

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

Cristais líquidos

Os cristais líquidos são materiais entre o estado sólido e o estado líquido, cujas moléculas têm um momento dipolar que induz uma polarização da luz que os afeta. Nesta propriedade, as telas da calculadora, monitores, laptops e telefones celulares foram desenvolvidos.

Relógio digital com tela de cristal líquido (LCD) [por BBCLCD (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/arquivo: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Design de sistemas ópticos

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

Metrologia óptica

É responsável por fazer medições de alta resolução de parâmetros físicos com base na onda de luz. Essas medidas são feitas com interferômetros e instrumentos de refração. Na área médica, a metrologia é usada para realizar o monitoramento constante dos sinais vitais do paciente.

Pode servir a você: Magnetização: Orbital e Moment Magnético, Exemplos

Pesquisas recentes em óptica física

Efeito Optomecânico Kerker (A. V. Poshakinskiy1 e a. N. Poddubny, 15 de janeiro de 2019)

Poshakinskiy e Poddubny (1) mostraram que partículas nanométricas com movimento vibratório podem manifestar um efeito mecânico óptico 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 dispersa por partículas esféricas magnéticas. Essa direcionalidade exige 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 de Posthakinskiy e Poddubny alcançou o mesmo efeito nas partículas nanométricas, sem resposta magnética significativa, que vibram no espaço.

Os autores demonstraram que as vibrações da partícula podem criar polarizações magnéticas e elétricas que interferem corretamente, porque são induzidas na partícula de componentes de polaridade magnética e elétrica da mesma ordem de magnitude quando a dispersão inelástica da luz é considerada.

Os autores propõem a aplicação do efeito óptico-mecânico em dispositivos ópticos nanométricos ao fazê-los vibrar pela aplicação de ondas acústicas.

Comunicação óptica extracorporal (D. R. Dhatchayeny e Y. H. Chung, maio de 2019)

Dhatchayeny e Chung (3) propõem um sistema experimental de comunicação óptica extracorporal (OEBC) que pode transmitir informações sobre sinais vitais de pessoas através de aplicações em telefones celulares com tecnologia Android. O sistema consiste em um conjunto de sensores e um concentrador de diodos (arranjo 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 através do arranjo de LED e transmitidos através da câmera do celular com o aplicativo óptico.

O arranjo de LED emite luz na faixa de comprimentos de onda de dispersão Rayleight Gans Debye (RGB). Cada cor e combinações de cores emitidas estão relacionadas a sinais vitais.

O sistema proposto pelos autores pode facilitar o monitoramento de sinais vitais de maneira confiável, pois os erros em resultados experimentais foram mínimos.

Referências

1. Efeito optomecânico de Kerker. Poshakinskiy, A V e Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, p. 2160-3308.
2. Espalhamento eletromagnético por esferas magnéticas. Kerker, M, Wang, D S e Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, vol. 73.
3. Comunicação extra-corpo óptica usando câmeras de smartphone para transmissão de sinal vital humano. Dhatchayeny, D e Chung, e. 15, 2019, Appl. Optar., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, a. Princípios e práticas de 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, S A e Nikitin, S Yu. Óptica física. Nova York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G e Lipson, H. Óptica física. Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Óptica física. Nova York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, F a e branco, HE. Fundamentos da óptica. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.