Imagem 1 - Decomposição da luz branca ao atravessar um prisma
O que a óptica e a tecnologia tem a ver? Já pensou nisso?
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.
Para que se entenda melhor, vou começar a explicar algumas coisas sobre óptica.
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:
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 são 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.
Observe o desenho abaixo:
Imagem 2
Uma lâmpada emite luz em todas as direções e ela chega ao olho do observador, como representado na Imagem 1. 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:
Imagem 3
Para que possamos enxergar os feixes de luz, deve se ter no ambiente por exemplo partículas de fumaça ou poeira, e isso 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, e em alguns casos, absorvida por completo;
→ Podem distorce-la ou deixar passa-la por completo, ou seja, ela vai ser refratada.
Imagem 4 - A refração, reflexão e absorção de luz
Veja aqui que existem quatro valores a serem analisados:
→ Refletância e absorbância de luz;
→ Refração 'nítida' e refração 'difusa' da luz.
São coisas estudadas neste tópico e também Capítulo 3, sobre unidades de medida no âmbito da óptica.
REFRAÇÃO
Quando as ondas luminosas passam de um meio homogêneo transparente para outro meio com as mesmas características - ou não -, 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 é chamado de opaco quando não é possível enxergar através dele;
→ Um meio de propagação pode ser chamado de transparente quando proporciona a nitidez na visualização de objetos 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.
As placas de circuito impresso, quando mais rudimentares e de apenas uma camada proporcionam uma visível passagem parcial da luz, ou seja, possuem algum grau de translucidez:
Vídeo 1 - As placas de circuito também podem ser translúcidas!
Perceba que o substrato é translúcido na região onde não há trilhas de Cobre. Tais placas podem ser feitas de Fenolite (Polifenol + Fibra de Celulose) ou FR4 (Poliepóxido + Fibra de vidro). Para se aprofundar neste tema e enriquecer ainda mais seu repertório, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: O reservatório de expansão em sistemas de arrefecimento - em geral feitos de resina PP ou PP+PE de aparência "leitosa" - quando novos são translúcidos, com isso não vemos muita coisa através do material. Ao envelhecer sob altas temperaturas (próximo de 100 °C quando em plena operação) o vaso de plástico tende a ficar ainda mais translúcido, com aparência um tanto "encardida", dificultando a verificação do nível de fluído. A situação piora, atingindo um nível opaco de coloração "amarelo encardido" se o sistema de arrefecimento for abastecido apenas com água, em especial água clorada e com sais minerais (mais conhecida como "água de torneira").
Imagem 5 - Vaso de expansão de um Scania R500
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:
Tabela 1 - Índice de refração de alguns materiais
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:
Gráfico 1
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).
E a birrefringência?
A birrefringência é uma propriedade óptica de um material que possui diferentes índices de refração para diferentes direções de propagação da luz.
Materiais que apresentam propriedades físicas diferentes para cada direção são considerados anisotrópicos, diferentemente dos materiais isotrópicos, os quais apresentam uma propriedade constante para qualquer direção analisada.
Cristais com estruturas cristalinas não cúbicas são geralmente birrefringentes ou birrefrativos. Isso se deve a diferença de tamanho entre as arestas da estrutura cristalina, causando a anisotropia.
Ligas poliméricas submetidas a estresse mecânico geralmente também são birrefringentes pelo mesmo motivo, já que tem um de seus lados mais "esticado" do que o outro. Portanto, é comum encontrarmos a birrefringência ou refração dupla em plásticos de celofane e fitas adesivas.
Na imagem abaixo, uma foto que ilustra este efeito de birrefrigência num transferidor composto de material plástico:
Imagem 6 - Efeito de birrefrigência
CURIOSIDADE: A birrefrigêrncia pode ser vista em discos ópticos de baixa qualidade. Um disco de Policarbonato com pequenas imperfeições em seu formato pode fazer com que uma onda de luz se divida em outras duas ondas perpendiculares no instante em que ela é aplicada no disco, espalhando-se sobre a superfície e prejudicando a focalizarão do feixe sobre as trilhas de dados. Quando isto ocorre, se exige da unidade leitora uma focalização crítica. Quando o equipamento não consegue compensar esta falta de qualidade do disco, iniciam-se as dificuldades de leitura.
Para saber mais sobre a composição de um CD, DVD e Blu-Ray, CLIQUE AQUI!
Os cristais líquidos (que também são utilizados em Displays LCD) naturalmente possuem esta característica de birrefringência. Para saber mais sobre cristais líquidos, CLIQUE AQUI!
A história da birrefrigência começa com a descoberta do fenômeno da refração dupla por Erasmus Bartholin em 1669 no Espato da Islândia, mais conhecido como o mineral chamado calcita. Posteriormente, o físico neerlandês Christiaan Huygens associou o fenômeno a possibilidade da onda luminosa ter um "lado", isto é, apresentar uma polarização. Maxwell, em 1867, introduziu a ideia da birrefringência circular, ou seja, a existência de índices de refração diferentes para as duas componentes em que pode ser separada a luz linearmente polarizada: luz polarizada circularmente à esquerda e polarizada circularmente à direita.
A birrefringência é a formação de dupla refração apresentada por certos cristais intimamente ligada com a velocidade e direção de propagação da luz.
Os materiais cristalinos revelam propriedades anisótropas (ou anisotrópicas) face à luz.
E a difração?
A capacidade de uma onda contornar um obstáculo é chamado de Difração. Quando uma onda choca-se com um obstáculo que possui uma abertura com dimensões comparáveis a seu comprimento, as partes da onda que passam pelo espaço aberto alargam-se e atingem as regiões opostas ao obstáculo.
Podemos notar a difração em qualquer tipo de onda. Não adianta termos uma sala com um isolamento acústico perfeito nas paredes se houver uma porta com frestas, pois a onda sonora passará por estas fendas e adentrará na sala. Uma cortina com um rasgo no meio também deixará a iluminação pública adentrar o seu quarto. Um dique em uma praia também será um bocado ineficiente se em algum ponto houver uma ruptura que permita as ondas se propagarem. Veja a imagem abaixo:
Imagem 7 - Efeito de Difração em um dique numa praia
Quanto maior o tamanho da fenda em relação ao comprimento de onda, o fenômeno de difração torna-se menos intenso.
Em leitores de CD e DVD é empregado a chamada "grade de difração" sobre o LASER. Uma grade de difração consegue dividir uma onda em várias ondas menores, sendo uma barreira de luz com pequenos orifícios que permitem que a luz se propague.
Outro exemplo do Efeito de Difração é na lente integradora, que é montada na frente da lâmpada fluorescente presente no bloco óptico de projetores 3LCD. Sua função é distribuir a luz de maneira mais uniforme, assim como ocorre com o difusor de luz montado por cima do backlight de TVs e Monitores LCD.
CURIOSIDADE: Atualmente, existem sensores ópticos de nível utilizados em tanques que transportam líquidos cujo princípio de funcionamento se baseia no fenômeno de refração de luz. Estes sensores estão dispostos no formato de tubo, composto de Alumínio ou INOX, com certificação IP65 (que garante o isolamento do sistema contra agentes externos prejudiciais).
No interior deste tubo há um circuito eletrônico controlador com um emissor de luz e um sensor justapostos no mesmo conjunto. Na extremidade inferior, que é posicionada para o lado de dentro do tanque, um prisma de vidro é a 'interface' para que haja detecção do líquido, isto é, os raios emitidos pelo emissor refletem em um prisma e retornam em direção ao receptor. Quando este prisma é mergulhado em qualquer líquido, os raios se dispersam desviando sua trajetória, o que é detectado pelo receptor, e assim é evitado o transbordamento durante a carga quando se utiliza o método Bottom Loading (carregamento por baixo). Na extremidade superior do tubo há apenas o feixe de fios que será ligado no circuito.
Veja as imagens abaixo, com a parte de cima do sensor e suas especificações, bem como o porta-sensor:
Imagem 8 - Sensor óptico de nível utilizado em tanques rodoviários - Sensor da marca Weg e porta-sensor da marca MGN
Abaixo, um PDF da fabricante Weg com as especificações do modelo SONJ-20C9AD / SON-20C9AD:
Agora vamos para o próximo fenômeno luminoso:
ABSORÇÃO
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.
Note que:
→ Quando a absorção de luz é máxima, o objeto é opaco, admitindo a cor preto.
→ Quando a absorção de luz é seletiva, o objeto possui uma cor diferente de preto, sendo caracterizado como reflexivo, no entanto, ainda é opaco, pois nada pode ser enxergado através dele.
Aqui entra o estudo da absorbância (ou absortância) e refletância da luz, isto é, quanta luz é absorvida e quanta luz é refletida por um corpo. Perceba que a absorbância e a refletância são inversamente proporcionais.
Já que citamos o termo 'refletância', veja alguns detalhes sobre reflexão...
REFLEXÃO
Quando incide luz em um objeto e ele é opaco, pode ocorrer o fenômeno de reflexão da luz. Existem duas formas da luz ser refletida: reflexão regular e reflexão difusa. Vemos cada um deles na figura abaixo:
Imagem 9 - Formas de reflexão da luz
CURIOSIDADE: A reflexão regular também pode ser chamada de "reflexão especular".
A refelxão especular ocorre em superfícies lisas como espelhos, e faz com que os raios de luz reflitam no mesmo ângulo e posição oposta em que atingem a superfície, diferente da reflexão difusa, que ocorre em superfícies mais irregulares e espalha os raios de luz em diferentes direções.
Perceba que numa superfície plana os raios refletem de forma regular e numa superfície com imperfeições os raios luminosos refletem de forma difusa. Veremos adiante - no tópico "Cor dos objetos e corpos" - que a reflexão e a absorção podem variar de acordo com as características do objeto e da cor da luz que incide nele.
Complemento 1 - Artigo da Konica Minolta sobre reflexão regular e difusa
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.
Equipamentos de colorimetria e espectofotômetros utilizam-se da reflexão da luz para medir a cor e sua tonalidade numa amostra. Um colorímetro funciona medindo a intensidade de luz que é refletida por uma amostra em diferentes comprimentos de onda.
Complemento 2 - A diferença entre um colorímetro e um espectofotômetro (Créditos: Delta Color)
Complemento 3 - A diferença entre um colorímetro e um espectofotômetro é a precisão
Vamos focar no colorímetro e dar um exemplo mais comum:
Diagrama 1 - Como é a medição de cor com um colorímetro 0° / 45°
Como a própria imagem acima traz "O CR-400 é projetado em geometria de ângulo de visão de iluminação de difusão 0 ° (componente especular incluído). Este método de iluminação ilumina a amostra de todas as direções usando iluminantes com brilho quase completamente igual e recebe a luz refletida verticalmente da superfície da amostra.
Este instrumento é, portanto, muito próximo da avaliação visual normal e pode ser usado com todos os tipos de amostras."
Mais simples e comuns que os colorímetros ou espectofotômetros de Esfera ou Multiangulares, os instrumentos de 0° / 45° se baseiam na emissão de uma luz branca. A amostra (Specimen) irá refletir luz, que será conduzida por fibra óptica (Specimen measurement fiber) até o cabeçote - com seus sensores e filtros de cores. Note que a luz emitida pela lâmpada interna (que neste caso é uma lâmpada de xenôn) também precisa ser amostrada, e é guiada até seu respectivo cabeçote através de fibra óptica (Iluminant measurement fiber). Com isto, podemos concluir que a luz emitida pode ser comparada com a refletida pela amostra, além de serem detectadas a intensidade de suas componentes R, G e B.
Imagem 10 - Perceba que o CR410 possui uma abertura maior, de 50 mm, o que permite fazer medições de superfícies mais amplas
CURIOSIDADE: Estes colorímetros podem contar com um cabeçote composto por um prisma tricróico, que separa a luz em três componentes (R, G e B) para que três sensores deem resultados com precisão. Mas o que seria um prisma tricróico? Continue lendo este texto!
Tais equipamentos se baseiam na refletância da luz e a desmembram em três (colorímetro) ou mais (espectofotômetro) componentes para detectar com precisão a cor e a tonalidade da amostra. Portanto, detectar a opacidade seletiva (todos os comprimentos de onda refletidos pelo material) é muito mais complexo do que detectar a opacidade absoluta (reflexão zero ou próxima disso e absorbância máxima de luz). Você verá mais sobre o funcionamento de um opacímetro como exemplo prático da absortância no capítulo "Óptica - Unidades de medida".
Como os objetos possuem cor?
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, chamados de espelhos dicróicos, que são transparentes apenas para uma ou algumas cores. Por exemplo, um filtro de cor vermelho sobre uma luz branca 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.
Mas como isso funciona exatamente?
Para entender este fenômeno, precisamos descer ao nível atômico e compreender o GAP de energia entre a banda de condução e a banda de valência dos átomos. Antes disso, vamos recapitular de forma resumida os três itens descritos no tópico anterior:
→ Quando um material é capaz de transmitir luz com absorbância e refletância que beiram a zero, dizemos que ele é transparente, ou seja, tem um valor de transmitância predominante, uma refração quase perfeita.
→ Quando a luz é refratada de forma difusa através do material, de forma que ela é dispersa em seu interior e objetos não podem ser distinguidos com clareza através dele, o denominamos 'translúcido';
→ Quando o material é impermeável à transmissão de luz visível, o denominamos 'opaco', independente da luz ser absorvida por completo ou haver reflexão.
Agora, para que entenda como este GAP é e funciona, leia o primeiro capítulo da série sobre eletrônica, cujo título é "Cap. 1.0: Condutores e Isolantes".
Estes comportamentos dependem diretamente da estrutura de bandas de energia do material em questão (gap entre banda de valência e de condução), uma vez que esta se relaciona à absorção de energia que o material é capaz de realizar, e justifica o porquê de termos situações distintos entre classes de materiais diferentes.
No caso de materiais metálicos, são opacos, uma vez que apresentam a estrutura de bandas de energia caracterizada por vários níveis de energia vazios em sua banda de valência, de forma que diversos comprimentos de onda relacionados à faixa de luz visível são capazes de causar a excitação de elétrons, e, portanto, podem ser absorvidos.
Após a excitação, quando os elétrons retornam ao seu estado fundamental, temos que a maior parte da radiação é reemitida aparecendo como luz refletida, e estes comprimentos de onda emitidos que definem a cor do material. Desta forma, metais são opacos e altamente refletivos. Observe a seguinte imagem:
Gráfico 2 - o GAP em materiais metálicos
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No caso de materiais não metálicos e de semicondutores, que apresentam a banda de valência completamente preenchida e um GAP entre esta e a banda de condução, apenas valores de energia específicos são possíveis de serem absorvidas para causar a excitação dos elétrons. Portanto, esse tipo de material pode absorver faixas especificas de comprimento de onda e é transparente a outras faixas, que correspondem a energias incapazes de causar excitação de elétrons ou polarização. Note a próxima imagem:
Gráfico 3 - O GAP em materiais não-metálicos
→ Caso a energia de GAP seja alta o suficiente para que luz visível não seja absorvida, o material será transparente;
→ Caso seja baixa o suficiente para que ocorra absorção total de luz visível, temos um material opaco;
→ Sendo intermediária, de forma que apenas faixas do espectro de luz visível sejam absorvidos, temos um material colorido, cuja cor será definida pela combinação dos comprimentos de onda refletidos ou transmitidos.
Para saber mais sobre semicondutores, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: No caso muitos materiais plásticos, originalmente, geralmente são transparentes, já que o GAP de energia é muito grande e a energia relacionada à luz visível é insuficiente para ser absorvida. É o caso de resinas puras de PET ou PP, por exemplo. Porém, podem se tornar translúcidos ou até opacos devido a características internas que causam o espalhamento da luz, como o caso da porosidade e colocação de aditivos (como por exemplo o negro de fumo, um dos corantes mais comuns). Caso a dispersão seja muito grande, teremos um material opaco.
CURIOSIDADE: O que faz um polímero semi-cristalino ser mais opaco que um amorfo é a sua estrutura estar mais organizada, fazendo com que a luz se 'espalhe' por dentro do material e seja absorvida, dissipada. O negro de fumo é um material naturalmente opaco, que não permite a passagem da luz, absolvendo-a por completo, tendo assim a cor preta, pois nada é refletido.
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A luz e aquilo que vemos
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, porém também é uma partícula. Isto acontece 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:
Tabela 2 - Comprimento de onda e suas respectivas frequências
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 (porém dentro do espectro visível) enxergamos outras cores, que são nada mais do que a combinação de cores apresentadas na tabela.
Como foi dito anteriormente, a cor branca é a combinação de todas as outras cores. Observe a imagem:
Gráfico 4 - Espectro de ondas eletromagnéticas
CURIOSIDADE: Na faixa de ondas extremamente baixas é onde fica o espectro audível do Ser Humano (de 20 Hz até 20 kHz). No espectro das ondas de rádio estão desde sinais de estações de rádio (AM e FM), parte das faixas de frequência de TV (Analógica e Digital) e até parte das bandas de frequência de internet móvel, além da tecnologia NFC (Near Field Communication). Já o Wi-Fi, Bluetooth e a maior parte das bandas de internet móvel e TV aberta operam até valores na faixa de 5 Ghz.
Observe que acima da luz visível está a ultravioleta, aquela luz que não enxergamos, mas que provoca lesões na nossa pele quando ficamos muito tempo expostos a luz solar. Lâmpadas fluorescentes geram luz ultravioleta, porém ela é convertida em luz visível pelo revestimento de "fósforo" que há por dentro da cápsula de vidro da lâmpada. Para saber mais sobre a lâmpada fluorescente comece lendo o artigo "Óptica - Lâmpada à descarga".
Abaixo do espectro visível está o infravermelho, que também não é visível ao olho Humano, mas que é bastante utilizado na tecnologia. Um bom exemplo são os controles remotos, que usam um LED emissor de luz infravermelha para enviar comandos para a TV.
CURIOSIDADE: Outra coisa que precisamos notar é que a faixa de frequência da luz VISÍVEL ao olho Humano é extremamente alta, isto é, na faixa dos TeraHertz, já a internet móvel opera em valores muito mais baixos, isto é, na faixa dos GigaHertz, portanto, quando falam que "internet móvel 5G dá câncer" ignore, pois é apenas mais uma falácia criada por quem não tem o devido conhecimento sobre Física. Só vai ter câncer quem ficar muito exposto a luz ultravioleta do Sol...
Para saber o básico sobre frequência, recomendo a leitura do tópico "Frequência" do "Capítulo 1.1 - Introdução à Eletrodinâmica".
Recomendo também a leitura do tópico "Frequência" do "Capítulo 1.1b - Introdução à Eletrodinâmica".
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. Se "nada se perde tudo se transforma", isso significa que a energia luminosa absorvida (fótons de luz) não desaparece, mas sim é transformada, isto é, dissipada em forma de calor pelo meio que o absorveu.
Um carro de cor preta quando exposto muito tempo ao Sol tende a esquentar mais a lataria, isto pois as luzes do espectro visível são absorvidas (há cerca de 95% de absorção). Já um carro branco tende a esquentar menos no Sol (cerca de apenas 20% de toda a radiação solar incidente é absorvida), pois a luz é refletida.
Outra coisa interessante é que o excesso de calor pode gerar luz. É o que ocorre quando por exemplo um resistor cede por excesso de calor. Veja o GIF abaixo:
GIF 1 - Um resistor entrando em colapso por não conseguir dissipar toda a potência aplicada sobre ele
Ou quando ascendemos uma lâmpada incandescente:
Imagem 11 - A lâmpada incandescente joga cerca de 80% da energia gasta fora em forma de calor
Como você pode ver na Imagem 11, uma lâmpada incandescente é tão bom aquecedor quanto um motor a combustão de um veículo, que é outro desperdiçador de combustível. Para efeito de comparação, num motor a combustão de um carro cerca de 70% do combustível gasto vira calor, que vai ter de ser dissipado através de bloco, cabeçote, cárter e periféricos, mas principalmente pelo radiador.
Os Sistemas Eletrônicos de Cores
O sistema de cores mais utilizado em reprodução e gravação de imagens por aparelhos eletrônicos é o 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
Imagem 12 - Os dois sistemas de cores predominantes na indústria
Combinando estas cores entre si, temos milhares de outras cores. Observe os exemplos:
Amarelo + Vermelho = Laranja
Azul + Laranja = Marrom
O padrão RGB é considerado um sistema de adição, pois a somatória das três cores gera o branco. Já o CMYK é um sistema de subtração, já que a somatória destas cores gera o preto. Tanto que:
→ Para a exibição de imagens numa tela (que é uma fonte de luz primária), é melhor o uso de RGB, sendo muitas vezes referida como "cor luz".
→ Já o CMYK é melhor para impressão (já que uma folha é uma fonte de luz secundária, ou seja, reflete a luz primária), que por isso também é referido como "cor pigmento".
E outra, se uma folha de impressão é branca, para que utilizar uma impressora com sistema RGB, em que a mistura das três cores em proporções iguais vai dar em branco novamente? Em muitas impressões, isto poderia gerar até desperdício de tinta.
CURIOSIDADE: Mas se a mistura em proporções iguais das componentes C, M e Y geram a cor preta, qual o motivo de se usar um cartucho preto dedicado em paralelo ao colorido?
Em muitos lugares, como é o caso de escritórios, a impressão de documentos exige apenas a cor preta. Ao invés de se utilizar três compartimentos de tinta e o circuito eletrônico coordenando a liberação e sobreposição de tinta, é mais simples ter um sistema secundário dedicado apenas com a cor preta!
CURIOSIDADE: Filtros Verde, Ciano e Amarelo não devem ser utilizados para que objetos claros em uma paisagem capturada por uma câmera não fiquem ainda mais esverdeados. Para saber mais sobre os filtros de cores utilizados na indústria de eletrônicos veja o artigo "Capítulo 1.2 - Filtros de cores".
Num circuito eletrônico, as cores são representadas por códigos hexadecimais, que trocando em miúdos, são nada mais do que representações numéricas dos pulsos elétricos que circulam pelo aparelho eletrônico. Algumas informações relevantes sobre codificação e reprodução de cores em eletrônicos podem ser vistas no artigo "Óptica - Complemento sobre ecrãs e projetores".
Os Prismas
Nos leitores de CDs são utilizados prismas para mudar a direção da luz.
Mas como funciona este componente?
→ Prisma de Base Triangular: Um Prisma em seu formato "normal" é composto por duas superfícies não paralelas homogêneas e transparentes. Eles podem ser utilizados para gerar um desvio nos raios luz com base nos princípios da refração.
Blocos ópticos de leitores de CD / DVD / BluRay utilizam prismas de reflexão total para mudar a direção de propagação da luz no labirinto, fazendo com que ela atinja a superfície do disco e o fotodetector.
Imagem 13 - Um Prisma em seu formato mais comum
Para cada utilidade é desenvolvido um Prisma 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 e 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.
→ Prisma Rotativo: Nos projetores DLP também se utiliza um Prisma para decompor a luz branca em algumas componentes, no entanto, seu formato e funcionamento é diferente. São "Prismas dinâmicos", conhecidos como "Prismas Rotativos", "Disco de Newton" (pois a composição da luz branca foi estudada por Isaac Newton), ou então pelo simples nome comercial "Color Wheel". Um Prisma rotativo é um disco dividido em várias zonas, sendo cada uma delas preenchida com um filtro de cor que irá decompor a luz branca.
Um Color Wheel é acionado por um motor elétrico, que por sua vez é comandado por um microcontrolador. Desta forma, a luz branca é decomposta em série, já que só se pode posicionar um filtro de cada vez sobre a luz, diferente do "Prisma estático" mostrado na Imagem 1, que consegue decompor a luz branca de forma a mostrar todas as cores que a compõe ao mesmo tempo.
Veja a imagem de um Prisma Rotativo abaixo:
Imagem 14 - Prisma Rotativo
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→ Prisma Dicróico: Um tipo de prisma muito utilizado nos projetores com tecnologia 3LCD 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:
Imagem 15 - Como funciona um Prisma Dicróico
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.
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Blocos ópticos de leitores / gravadores de CD / DVD / BluRay também podem ter um prisma dicróico, porém neste caso a função é outra. Como um bloco óptico pode ter um LASER para a leitura / gravação de CD, um LASER para o DVD e outro LASER para o BluRay, o prisma dicróico serve para direcionar o feixe de luz produzido por cada LASER.
→ Prisma Tricróico: Uma montagem de prisma tricróico é uma combinação de dois prismas dicróicos, aplicados de tal forma que dividem a luz incidente nas componentes vermelho, verde e azul (RGB).
Imagem 16 - Como é um prisma tricróico
Ele é bastante aplicado em instrumentos de medição (tais como aqueles colorímetros da Konica Minolta usados como exemplo neste texto), além de algumas câmeras digitais mais complexas e de alta qualidade.
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; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 18 de Dezembro de 2023.