Uma frente de onda ou superfície de onda é o lugar geométrico de todos os pontos em que a fase de vibração ou variação harmônica de uma quantidade física é a mesma.
As ondas eletromagnéticas radiadas por uma pequena fonte de luz podem ser representadas por frentes de onda que são superfícies esféricas concêntricas (centros coincidentes) à fonte e a uma distância grande da fonte, como superfícies planas (fig. 1.7 a e b).
Considerando a teoria corpuscular, um raio é simplesmente a trajetória retilínea que um corpúsculo de luz percorre.
Considerando a teoria ondulatória, um raio é uma linha imaginária na direção de propagação da onda, ou seja, perpendicular à frente de onda (fig. 1.7 a e b).
Fig. 1.7 a) Frentes de onda esféricas
Princípios da propagação da luz
Princípio da propagação retilínea
Nos meios homogêneos e transparentes a luz se propaga em linha reta
Este princípio é facilmente observado no nosso cotidiano: o feixe de luz proveniente de um holofote; qualquer processo de alinhamento; mira para atirar em uma alvo; formação de sombras; formação de imagens e outros.
Em meios heterogêneos a luz não se propaga necessariamente em linha reta. Como exemplo temos a atmosfera terrestre que aumenta a densidade com a altitude decrescente; em conseqüência disso os raios provenientes dos astros se encurvam ao se aproximarem da superfície terrestre, fenômeno conhecido como refração atmosférica (será estudada em refração).
A propagação da luz independe da existência de outros raios de luz na região que atravessa
Este princípio você observa quando um palco é iluminado por dois feixes de luz provenientes de dois holofotes. A trajetória de um raio de luz não é modificada pela presença de outros: cada um segue sua trajetória como se os outros não existissem (fig. 1.8).
Fig. 1.8 Princípio da indepêndencia dos raios de luz
Considere que um raio faz o percurso ABC tanto no fenômeno da reflexão (fig. 1.9a) como na refração (fig.1.9b). Se o raio de luz fizer o percurso no sentido contrário CBA, a trajetória do raio será a mesma.
Fig.1.9 Reversibilidade dos raios luminosos
(a) Reflexão(b) Refração
Este é o princípio da reversibilidade de raios luminosos ou princípio do caminho inverso, que pode ser enunciado como:
Objetos luminosos ou fontes de luz são aqueles que emitem luz própria, tais como o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, lâmpadas.
Objetos iluminados são aqueles que não emitem luz própria mas, sim, refletem luz proveniente de uma fonte. Como exemplo de objetos iluminados temos a Lua, uma pessoa, um carro e outros objetos que nos rodeiam.
Na época de Platão, na Grécia, acreditava-se que os olhos emitiam partículas que tornavam os objetos visíveis. Atualmente sabemos que os objetos, para serem vistos, emitem luz proveniente de uma fonte, que atinge os nossos olhos (fig. 1.9)
Fig. 1.10 Como nós enxergamos um objeto.
As fontes de luz podem ser puntuais e extensas. São consideradas puntuais ou puntiformes quando as dimensões se reduzem a um ponto luminoso e a formação de sombra do objeto é bem definida, e extensas quando é um conjunto de pontos luminosos.
Quando a fonte é extensa, além da sombra do objeto, há uma região de contorno que recebe alguma luz da fonte, denominada penumbra. Essa formação de sombra e penumbra ocorre nos fenômenos de eclipse do Sol (fig. 1.10 e 1.11).
Fig.1.11 Eclipse do Sol
Fig. 1.12 Esquema do eclipse solar
A câmara escura de orifício é constituída de uma caixa de paredes opacas com um pequeno orifício, sendo a parede oposta ao orifício de papel vegetal. A fig. 1-13 mostra um esquema da câmara escura.
Fig 1.13 Câmara escura
Um objeto OO ' de tamanho H, é colocado à uma distância p do orifício A. Os raios que partem do objeto atravessam o orifício, projetando uma imagem II ', de tamanho H ', à uma distância q do orifício A.
Vamos determinar a relação entre os tamanho do objeto H e da imagem H ', e as distâncias objeto p e imagem q.
Os triângulos OO'A e II'A são semelhantes; portanto sendo seus
lados proporcionais, obtemos:
OO' / II' = p / q 1.2
Observe, na expressão 1.2, que se aproximarmos o objeto da câmara, o tamanho da imagem aumenta e vice-versa.
O tamanho do orifício A deve ser pequeno porque senão perde-se a nitidez da imagem II ' (da ordem de 0,008 vezes a raiz quadrada do comprimento da caixa).
Fonte: educar.sc.usp.br
A luz na forma como a conhecemos é uma gama de comprimentos de onda a que o olho humano é sensível. Trata-se de uma radiação electromagnética pulsante ou num sentido mais geral, qualquer radiação electromagnética que se situa entre as radiações infravermelhas e as radiações ultravioletas. As três grandezas físicas básicas da luz (e de toda a radiação electromagnética) são: brilho (ou amplitude), cor (ou frequência), e polarização (ou ângulo de vibração). Devido à dualidade onda-partícula, a luz exibe simultaneamente propriedades de ondas e partículas.
Um raio de luz é a representação da trajetória da luz em determinado espaço, e sua representação indica de onde a luz sai (fonte) e para onde ela se dirige. O conceito de raio de luz foi introduzido por Alhazen. Propagando-se em meio homogêneo, a luz sempre percorre trajetórias retilíneas; somente em meios não-homogêneos é que a luz pode descrever "curva".
Em sentido figurado significa esclarecer ou fazer algo compreensível.
Diagrama da dispersão da luz através de um prisma
Representação de um raio de luz refletido
Sombras na praia
No século I a.C. Lucrécio, dando continuidade às ideias dos primeiros atomistas, escreveu que a luz solar e o seu calor eram compostos de pequenas partículas.
A idéia de que a luz seria um corpúsculo vem desde a Antiguidade, com o atomismo de Epicuro e Lucrécio.
Contudo, somente no século XVII, a teoria corpuscular para a luz se consolidou como um conjunto de conhecimento capaz de explicar os mais variados fenômenos ópticos. Seu principal expoente nesse período foi o filósofo natural inglês Isaac Newton (1643-1727).
Em seus trabalhos publicados - o artigo "Nova teoria sobre luz e cores" (1672) ( disponível em português em Silva & Martins 1996) e o livro Óptica (Newton 1996) - e também nos trabalhos não publicados - os artigos "Hipótese da luz" e "Discurso sobre as observações" (disponíveis em Cohen & Westfall 2002) - Newton discutiu implicitamente a natureza física da luz, fornecendo alguns argumentos a favor da materialidade da luz.
Esse é um fato muito interessante. Apesar de ser conhecido como o grande defensor da teoria corpuscular, Newton nunca discutiu em detalhes o assunto, sendo sempre cauteloso ao abordá-lo (Cantor 1983). A razão desse comportamento seria as críticas recebidas sobre o artigo "Nova teoria sobre a luz e cores" de 1672, advindas principalmente de Robert Hooke, Christiaan Huygens e Ignatius Pardies.
A teoria corpuscular foi amplamente desenvolvida no século XVIII, pelos seguidores de Newton.
No início do século XIX, com o aperfeiçoamento da teoria ondulatória de Thomas Young e Augustin Fresnel, a teoria corpuscular foi, aos poucos, sendo rejeitada.
É importante compreender que a teoria corpuscular desenvolvida entre os séculos XVII e XIX não é a mesma da atual, inserida na concepção da dualidade onda-partícula da luz.
Efeito da luz do sol passando por uma janela
No século XVII, Huygens, entre outros, propôs a ideia de que a luz fosse um fenómeno ondulatório. Francesco Maria Grimaldi observou os efeitos de difracção, actualmente conhecidos como associados à natureza ondulatória da luz, em 1665, mas o significado das suas observações não foi entendido naquela época.
As experiências de Thomas Young e Augustin Fresnel sobre interferência e difracção no primeiro quarto do século XIX, demonstraram a existência de fenómenos ópticos, para os quais a teoria corpuscular da luz seria inadequada, sendo possíveis se à luz correspondesse um movimento ondulatório. As experiências de Young capacitaram-no a medir o comprimento de onda da luz e Fresnel provou que a propagação rectilínea, tal como os efeitos observados por Grimaldi e outros, podiam ser explicados com base no comportamento de ondas de pequeno comprimento de onda.
O físico francês Jean Bernard Léon Foucault, no século XIX, descobriu que a luz se deslocava mais rápido no ar do que na água. O efeito contrariava a teoria corpuscular de Newton, esta afirmava que a luz deveria ter uma velocidade maior na água do que no ar.
James Clerk Maxwell, ainda no século XIX, provou que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética no espaço, equivalia à velocidade de propagação da luz de aproximadamente 300.000 km/s.
No final do século XIX, a teoria que afirmava que a natureza da luz era puramente uma onda eletromagnética, (ou seja, a luz tinha um comportamento apenas ondulatório), começou a ser questionada.
Ao se tentar teorizar a emissão fotoelétrica, ou a emissão de elétrons quando um condutor tem sobre si a incidência de luz, a teoria ondulatória simplesmente não conseguia explicar o fenômeno, pois entrava em franca contradição.
Foi Albert Einstein, usando a idéia de Max Planck, que conseguiu demonstrar que um feixe de luz são pequenos pacotes de energia e estes são os fótons, logo, assim foi explicado o fenômeno da emissão fotoelétrica.
A confirmação da descoberta de Einstein se deu no ano de 1911, quando Arthur Compton demonstrou que "quando um fóton colide com um elétron, ambos comportam-se como corpos materiais."
As fontes de luz visível dependem essencialmente do movimento de elétrons. Os elétrons nos átomos podem ser elevados de seus estados de energia mais baixa ate os de energia mais alta por diversos métodos, tais como aquecendo a substancia ou fazendo passar uma corrente elétrica através dela.Quando os elétrons eventualmente retornam a seus níveis mais baixos, os átomos emitem radiação que pode estar na região do visível do espectro.
A fonte mais familiar de luz visível é o Sol. Sua superfície emite radiação através de todo o espectro eletromagnético, mas sua radiação mais intensa está na região que definimos como visível, e a intensidade radiante do sol tem valor de pico num comprimento de onda de cerca de 550nm, isso sugere que nossos olhos se adaptaram ao espectro do Sol.
Todos os objetos emitem radiação magnética, denominada radiação térmica, devido à sua temperatura. Objetos tais como o Sol, cuja radiação térmica é visível, são denominados incandescentes. A incandescência geralmente está associada a objetos quentes; tipicamente, são necessárias temperaturas que excedam a 1.000°C.
Também é possível que a luz seja emitida de objetos frios; esse fenômeno é chamado luminescência. Os exemplos incluem as lâmpadas fluorescentes, relâmpago, mostradores luminosos, e receptores de televisão. A luminescência pode ter várias causas. Quando a energia que excita os átomos se origina de uma reação química, é denominada quimiluminescência. Quando ocorre em seres vivos, tais como vagalumes e organismos marinhos, é chamado de bioluminescência. A luz também pode ser emitida quando certos cristais (por exemplo o açúcar) são comprimidos, chama-se triboluminescência.
A velocidade da luz no vácuo, simbolizada pela letra c, é de exatos 299 792 458 metros por segundo, o mesmo que 1 079 252 848,8 quilômetros por hora. O símbolo c origina-se do Latim celeritas, velocidade ou rapidez. A velocidade da luz em um meio transparente (não no vácuo) é menor que c, sendo a fração função do índice de refração do meio.
De acordo com a moderna física teórica, toda radiação eletromagnética, incluindo a luz visível, se propaga (ou move) no vácuo a uma velocidade constante, chamada de velocidade da luz, que é uma constante da Física, representada por c. É também a velocidade de propagação da atração gravitacional, na teoria geral da relatividade.
Uma conseqüência das leis de Maxwell, referentes ao eletromagnetismo, é que a velocidade c da radiação eletromagnética não depende da velocidade do objeto que emite a radiação, fazendo com que a velocidade da luz emitida por uma fonte em alta velocidade seja a mesma que a de outra fonte estacionária, embora a freqüência, a energia e a cor possam ter alterações, conhecidas como efeito Doppler relativístico. Todos os observadores que medem a velocidade no vácuo chegam ao mesmo resultado, por isso é c chamada constante física fundamental, e é usada como base da teoria da relatividade especial.
Distâncias astronômicas são freqüentemente medidas em anos-luz, ou seja, a distância que a luz percorre em um ano solar, aproximadamente 9,46×1012 quilômetros.
Passando por materiais transparentes, a velocidade da luz é reduzida a uma fração de c , sendo esse seu índice de refração, uma característica do material. No ar, a velocidade é pouco menor que c, enquanto materiais mais densos como água ou vidro podem reduzir a velocidade da luz para 70 a 60% de c. Fibras ópticas, muito utilizadas em telecomunicações, normalmente reduzem 30% da velocidade. Essa redução também é responsável pelo fenômeno da refração, quando a luz passa de um material para outro.
Como a velocidade depende do índice de refração, e este depende da freqüência da luz, tem-se que a luz em diferentes freqüências viaja a diferentes velocidades no mesmo material. Isto pode causar distorções das ondas eletromagnéticas chamadas de dispersão. Deve-se notar que ao voltar de um meio físico para o vácuo, a luz reassume a velocidade c sem receber nenhuma energia.
Certos materiais especiais, como o condensado de Bose-Einstein, têm um índice de refração altíssimo, reduzindo a velocidade da luz a meros 17 metros por segundo. Em um experimento em 2001, a equipe da cientista Lene Hau conseguiu mesmo pará-la por instantes.
Desde a antiguidade clássica, vários filósofos especularam sobre a velocidade da luz. Empédocles, Aristóteles e Heron de Alexandria na Grécia e os árabes Avicena e Alhazen deixaram suas opiniões. O indiano Sayana, no século XIV, deixou um comentário no Rig Veda (estimados 302 000 m/s).
Johannes Kepler, Francis Bacon e René Descartes, na Europa, também citaram o assunto. Galileu Galilei propôs um experimento em 1638, realizado em Florença no ano de 1667, sem sucesso. A primeira técnica de medição foi acidentalmente descoberta em 1676 por Ole Romer. Enquanto observava Júpiter e seu satélite Io, notou que havia um atraso, o que o levou a comentar num congresso de astronomia que a velocidade da luz poderia ser muito alta. Suas medições, combinadas com outras de Christiaan Huygens, chegaram a um valor abaixo do valor real mas muito mais alto do que o de qualquer fenômeno conhecido então. Newton, em seu livro Opticks, aceita um valor quase igual ao de Romer.
Foram, no entanto, as observações de James Bradley em 1728 que elucidaram a questão, calculando a velocidade num valor apenas um pouco menor que o aceito atualmente. Léon Foucault, usando a roda de medir a velocidade da luz inventada por Fizeu, publicou uma aproximação melhor, e finalmente, em 1926, Albert Michelson, do observatório de Monte Wilson, publicou um valor preciso.
Ao resolver as equações de Maxwell no vácuo e sem fontes de campo é possível obter a velocidade de uma onda eletromagnética. Segue o procedimento:
Estas equações têm uma solução simples em termos de ondas progressivas planas senoidais, com as direções dos campos elétricos e magnéticos ortogonais um ao outro e à direção do deslocamento, e com os dois campos em fase:
Mas:
O que permite obter a equação da onda eletromagnetica:
De onde se obtem a velocidade da onda eletromagnetica (c):
"Esta velocidade é tão próxima da velocidade da luz que parece que temos fortes motivos para concluir que a luz em si (incluindo calor radiante, e outras radiações do tipo) é uma perturbação eletromagnética na forma de ondas propagadas através do campo eletromagnético de acordo com as leis eletromagnéticas."
De acordo com a moderna física teórica, toda radiação eletromagnética, incluindo a luz visivel, se propaga no vácuo numa velocidade constante, comumente chamada de velocidade da luz, que é uma constante da Física, representada por c e igual a 299.792.458 metros por segundo.
As seguintes quantidades e unidades são utilizadas para medir luz.
Fonte: pt.wikipedia.org
