PROPRIEDADES DA LUZ Ondas Eletromagnéticas ondas eletromagnéticas Velocidade de Ondas Eletromagnéticas O Espectro Eletromagnético

Transcrição

1 PROPRIEDADES DA LUZ A luz é a única coisa que nós realmente vemos. Mas o que é a luz? Sabemos que durante o dia a fonte principal de luz é o Sol, e a secundária o brilho do céu. Outras fontes de luz comuns são as chamas, os filamentos brancos e quentes das lâmpadas incandescentes e o gás que brilha em tubos de vidro. A luz se origina dos movimentos acelerados dos elétrons. Ela é um fenômeno eletromagnético e constitui apenas uma minúscula parte de um todo maior a larga faixa das ondas eletromagnéticas chamada de espectro eletromagnético. Ondas Eletromagnéticas Movimente a extremidade de uma barra para frente e para trás, na superfície da água, e você produzirá ondas na superfície. Analogamente, se balançar um bastão eletricamente carregado para lá e para cá, estará produzindo ondas eletromagnéticas no espaço. Isso, porque cargas elétricas em movimento constituem uma corrente elétrica. O que circunda uma corrente elétrica? A resposta é: um campo magnético. Os campos elétrico e magnético oscilantes regeneram um ao outro, formando desta maneira ondas eletromagnéticas, que emanam (dirigem-se para fora) das cargas vibrantes. Existe apenas um valor de rapidez, por sua vez, para o qual os campos elétrico e magnético mantêm-se em perfeito equilíbrio, com um reforçando o outro enquanto transportam energia através do espaço. Vamos ver por que isso acontece desta maneira. 1 Velocidade de Ondas Eletromagnéticas Uma espaçonave cruzando o espaço pode ganhar ou perder velocidade, mesmo com seus motores estando desligados, pois a gravidade pode acelerá-la ou desacelerá-la. Mas uma onda eletromagnética se propagando no espaço jamais altera sua rapidez. Não porque a gravidade não atue sobre a luz, pois ela o faz. A gravidade pode alterar a frequência da luz ou desviá-la mas não pode alterar a rapidez de propagação da luz. O que mantém a luz se propagando no espaço livre sempre com a mesma rapidez? A resposta está relacionada com a indução eletromagnética e a conservação da energia. Se a luz desacelerasse, seu campo elétrico variável geraria um campo magnético mais fraco, o qual, por sua vez, geraria um campo elétrico mais fraco, e assim por diante, até que a onda se extinguisse. Mas o que aconteceria, então, com a energia dos campos? Se os campos se extinguissem sem ter meios de converter a energia para alguma outra forma, a energia estaria sendo perdida. Isso é incompatível com a lei da conservação da energia. Portanto, a luz não pode desacelerar. Se a luz acelerasse, um argumento parecido se aplicaria. O campo elétrico variável geraria um campo magnético mais forte, o qual, por sua vez, geraria um campo elétrico mais forte, e assim por diante, num crescendo sem fim de intensidade de campo e de energia claramente, algo que é proibido pela conservação da energia. Existe apenas um valor de rapidez com o qual a indução mútua entre esses dois campos continua a ocorrer indefinidamente, sem que haja perda ou ganho de energia. A partir de suas equações para a indução eletromagnética, Maxwell calculou este valor crítico de rapidez e obteve o resultado de km/s. O Espectro Eletromagnético No vácuo, as ondas eletromagnéticas se propagam com a mesma rapidez e diferem entre si nas suas frequências. A classificação das ondas eletromagnéticas, baseada na frequência, constitui o espectro eletromagnético. Já se detectou ondas eletromagnéticas com frequências abaixo de 0,01 Hz. Ondas eletromagnéticas com frequências de vários milhares de hertz (khz) são classificadas como ondas de rádio de frequência muito baixa. Uma frequência de milhão de hertz (MHz) situa-se no meio da banda de rádio AM. A banda de televisão, de frequência VHF ( Very High Frequency, frequência muito alta) começa em cerca de 50 MHz, e a de rádio FM vai de 88 a 108 MHz. Começa, então, a faixa das frequências UHF ( Ultra High Frequency, frequência ultra alta), seguida das micro-ondas, além das quais encontramos as ondas infravermelhas, costumeiramente chamadas de ondas de calor. Além dessas, se encontram as frequências da luz visível, que constituem menos do que 1% do espectro eletromagnético medido. As frequências mais baixas que podemos enxergar aparecem como luz

2 vermelha. As frequências mais altas de luz visível são aproximadamente duas vezes maiores do que as do vermelho, e aparecem como luz violeta. Frequências ainda mais altas constituem o ultravioleta. Essas ondas de frequência mais alta causam queimaduras à pele. Frequências mais altas, além do ultravioleta, se estendem para as regiões dos raios X e dos raios gama. Não existem fronteiras bem definidas entre essas regiões, que, de fato, se superpõem. O espectro é dividido nessas regiões arbitrárias apenas por razões de classificação. Os conceitos e relações dos quais tratamos antes, em nosso estudo do movimento ondulatório aplicam-se aqui também. Lembre-se de que a frequência de uma onda é idêntica à da fonte vibratória. O mesmo segue sendo verdade aqui: a frequência de uma onda eletromagnética no espaço é idêntica à frequência da carga elétrica oscilante que a gerou. Frequências diferentes correspondem a diferentes comprimentos de onda ondas de baixa frequência possuem longos comprimentos de onda, e as de frequências altas, possuem pequenos comprimentos de onda. Por exemplo, uma vez que a rapidez de propagação da onda é de quilômetros por segundo, uma carga elétrica que oscile uma vez por segundo (1 hertz) produzirá uma onda com comprimento de onda quilômetros. Isso porque apenas um comprimento de onda é gerado durante 1 segundo. Se a frequência da oscilação fosse de 10 hertz, então 10 comprimentos de onda seriam formados a cada segundo e o correspondente comprimento de onda seria de quilômetros. Assim, quanto mais alta for a frequência da carga oscilatória, mais curto será o comprimento de onda da radiação produzida. 2 Sombras Um feixe estreito de luz é costumeiramente chamado de raio. Quando ficamos de pé à luz do Sol, parte da luz é interceptada por nossos corpos, enquanto outros seguem adiante em linha reta. Nós projetamos uma sombra uma região onde os raios de luz não conseguem chegar. Se estamos próximos à nossa sombra, suas bordas são nítidas porque o Sol está muito distante. Tanto uma fonte de luz grande e distante como uma pequena e próxima projetarão sombras nítidas. Uma fonte luminosa grande e relativamente próxima produz uma sombra pouco nítida. Normalmente existe uma parte bem escura mais interna e uma parte mais clara ao longo das bordas de uma sombra. A parte mais escura é chamada de umbra e a parte menos escura da sombra é a penumbra. A penumbra ocorre numa região para a qual parte da luz foi bloqueada, mas que ainda é alcançada por outros raios. Isso ocorre naquela região porque a luz bloqueada provém de uma determinada fonte luminosa, enquanto a luz que nela incide provém de outra fonte. A penumbra também ocorre onde a luz incidente proveniente de uma fonte extensa é bloqueada apenas parcialmente. Tanto a Terra como a Lua projetam sombras quando a luz solar incide nelas. Quando a trajetória de um desses corpos atravessa a sombra projetada pelo outro, ocorre um eclipse. Um exemplo dramático de umbra e de penumbra ocorre quando a sombra da Lua cai sobre a Terra durante um eclipse solar. Por causa do grande tamanho do Sol, os raios se estreitam para formar uma umbra e uma penumbra ao seu redor. Se você ficar na parte da umbra da sombra, experimentará escuridão durante o dia um eclipse total. Se ficar na penumbra, experimentará um eclipse parcial, pois enxergará um crescente solar. Num eclipse lunar, a Lua atravessa a sombra da Terra. Cor As rosas são vermelhas e as violetas são azuis; as cores intrigam artistas e físicos. Para o físico, as cores de um objeto não estão nas substâncias dos próprios objetos, ou mesmo na luz que eles emitem ou refletem. A cor é uma experiência fisiológica e reside no olho do espectador. Portanto, quando dizemos que a luz de uma rosa é vermelha, num sentido estrito queremos dizer que ela aparece como vermelha. Muitos organismos, o que inclui pessoas com visão deficiente para cores, não enxergam as rosas como vermelhas de jeito nenhum. As cores que vemos dependem da frequência da luz incidente. Luzes com frequências diferentes são percebidas em diferentes cores; a luz de frequência mais baixa que podemos detectar aparece para a maioria das pessoas como a cor vermelha, e as de mais alta frequência como violeta. Entre elas, existe uma faixa com um número infinito de matizes que formam o espectro de cor de um arco-íris. Por

3 convenção, esses matizes são agrupados em sete cores, vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo e violeta. Juntas, essas cores aparecem como o branco. A luz branca do Sol é uma composição de todas as frequências visíveis. 3 Por que o Céu é Azul Nem todas as cores são o resultado da adição ou subtração de luzes. Determinadas cores, tais como o azul do céu, resultam de espalhamento seletivo. Quanto menor for a partícula, mais luz de alta frequência será reemita por ela. Isto se parece com a situação em que sinos pequenos soam com notas mais altas do que sinos grandes. As moléculas de oxigênio e nitrogênio, que formam a maior parte da atmosfera, são análogas a minúsculos sinos que soam em altas frequências quando energizadas pela luz solar. Como o som dos sinos, a luz é reemitida em todas as possíveis direções. Quando isso acontece, dizemos que a luz está sendo espalhada. Das frequências visíveis que formam a luz solar, o violeta é espalhado principalmente pelo nitrogênio e pelo oxigênio da atmosfera, seguido pelo azul, o verde, o amarelo, o laranja e o vermelho, nessa ordem. O vermelho é espalhado numa proporção que corresponde a um décimo do espalhamento sofrido pelo violeta. Embora a luz violeta seja mais espalhada do que o azul, nossos olhos não são muito sensíveis ao violeta. Portanto é a luz azul espalhada que predomina em nossa visão, razão pela qual enxergamos um azul! O azul do céu varia de lugar para lugar, sob condições diferentes. O fator principal é a quantidade de vapor d água existente na atmosfera. Em dias secos e claros, o céu é de um azul muito mais profundo do que em dias nos quais é grande a umidade. Lugares onde o ar é excepcionalmente seco, tal como a Itália ou a Grécia, possuem um céu maravilhosamente azul que tem inspirado os pintores por séculos. Onde a atmosfera contém um número grande de partículas de poeira e outras partículas maiores do que as moléculas de N 2 e de O 2, a luz com frequência mais baixa também é fortemente espalhada. Isso torna o céu menos azul, e lhe confere um aspecto esbranquiçado. Após uma chuva forte, quando a maior parte das partículas são retiradas da atmosfera, o céu adquire um aspecto azul mais profundo. Por que o Pôr-do-Sol é Vermelho? A luz que não é espalhada é luz transmitida. Como as luzes vermelha, laranja e amarela são as menos espalhadas pela atmosfera, elas são as que melhor se transmitem através do ar. O vermelho, que é a menos espalhada e, portanto, a que melhor é transmitida, atravessa mais atmosfera do que as outras cores. Assim, quanto mais espessa é a atmosfera através da qual um feixe de luz solar deve se propagar, mais tempo existe para espalhar todas as componentes de frequências mais altas da luz. Isso significa que a luz que melhor atravessa o ar é a vermelha. a luz solar se propaga através de uma atmosfera mais espessa durante o pôr-do-sol, razão pela qual o poente (ou a aurora) é avermelhado. Ao meio-dia, a luz solar atravessa uma camada menos espessa de atmosfera, até alcançar a superfície da Terra. Apenas uma pequena quantidade da luz de alta frequência da luz solar é espalhada, o suficiente para dar ao Sol uma aparência amarelada. À medida que avança o dia e o Sol torna-se mais baixo no céu, o caminho da luz através da atmosfera vai tornando-se mais comprido, com mais azul e violeta da luz sendo espalhados. A remoção do violeta e do azul deixa a luz transmitida mais avermelhada. O Sol torna-se gradualmente mais avermelhado, indo do amarelo ao laranja e, finalmente, ao laranja-avermelhado no pôr-do-sol. Os poentes e as auroras ficam mais coloridos do que o normal após erupções vulcânicas, porque partículas maiores do que as moléculas atmosféricas são, então, mais abundantes no ar do que o normal. Por que as Nuvens são Brancas? As nuvens são formadas por gotículas de água dos mais variados tamanhos. Esses diferentes tamanhos espalham luzes com uma variedade de frequências: as menores espalham mais azul que outras cores; aquelas que são ligeiramente maiores, espalha, frequências ligeiramente menores, digamos, verde; e aquelas ainda maiores espalham mais o vermelho. O resultado geral é uma nuvem branca.

4 Dentro de uma gotícula da nuvem, os elétrons próximos oscilam juntos, no mesmo ritmo, o que numa maior intensidade da luz espalhada do que quando o mesmo número de elétrons oscila independentemente. É daí que tem origem o brilho das nuvens! Um agrupamento das gotas maiores absorve boa parte da luz que nelas incide, de modo que a intensidade da luz espalhada é menor. Isso contribui para a cor escura de nuvens formadas por gotículas maiores. Se o tamanho das gotas aumentar mais ainda, elas podem vir a cair na forma de gotas, e temos chuva. 4 OS FENÔMENOS ÓPTICOS Quantas vezes e em quantos lugares você já ouviu ou fez perguntas como: Por que o céu é azul?, Por que ocorre o arco-íris?, Por que a água do mar parece mudar de cor?. E quantas crianças já não ficaram intrigadas, achando que a imagem delas formada no espelho era de uma outra pessoa? Estas situações são explicadas pelos fenômenos ópticos. São considerados fenômenos ópticos as cores, a formação de imagens nos espelhos e nas lentes, o arco-íris, a difração e a interferência da luz, entre outros. A Física divide o estudo dos fenômenos ópticos em duas áreas: a óptica geométrica, que trata da trajetória dos raios de luz sem estudar do que a luz é feita; e a óptica física, que estuda os fenômenos relacionados à luz, por meio da sua natureza. REFLEXÃO O fato de podermos enxergar um objeto não luminoso deve-se à reflexão da luz. Em alguns lugares do Brasil, é comum as pessoas pendurarem sacos plásticos transparentes, com água, nas paredes de suas casas, a fim de espantar as moscas. Isso porque os insetos orientam seu vôo pelos focos de luz que incidem sobre seus olhos. Quando estão ao ar livre, os insetos não perdem o rumo, porque os raios provenientes do Sol incidem paralelamente sobre seus olhos. Os sacos plásticos cheios de água refletem, porém irregularmente, esses raios, que incidem em diversos pontos dos olhos dos insetos, fazendo com que percam o rumo e fiquem chocando-se insistentemente nos sacos. O mesmo pode-se dizer das lâmpadas e das mariposas noturnas: quando entram em nossas casas, desviam suas rotas e chocam-se contra as lâmpadas: os raios de luz irregulares fazem com que elas percam o rumo. Há os espelhos esféricos (não planos; em forma de curva), que podem ser de dois tipos: côncavos e convexos, dependendo da face que reflete a luz. Nas portas de elevadores, garagens, ônibus e retrovisores de carro são utilizados os espelhos convexos, cuja superfície externa é aquela que reflete a luz. Os espelhos convexos aumentam o campo visual, ou seja, aumentam a região observada pela reflexão, comparando-se com o espelho plano. Os espelhos esféricos côncavos são aqueles cuja superfície refletora é a interna (imagine a parte interna de uma colher). Eles são utilizados para formar uma imagem virtual maior do que o tamanho do objeto. Os espelhos de maquiagem são côncavos: eles fornecem uma imagem ampliada do rosto a ser maquiado. REFRAÇÃO Quando você olha para o fundo de uma piscina, tem a impressão de ela ser mais rasa do que é na realidade. À noite, vistas de longe, as luzes das cidades parecem piscar. Isso ocorre porque os raios de luz, que se propagam em linha reta em um meio ordinário, sofrem desvios na atmosfera causados por mudanças de pressão e de temperatura ou mesmo pela poluição, tendo então sua trajetória alterada. É esse também o caso do piscar das estrelas. Você pode perceber a alteração na trajetória como uma cintilação. Para ocorrer cintilação, é necessário que a fonte de luz esteja distante no caso

5 de uma lanterna próxima, você somente perceberá a luz piscando se alguém apontar a lanterna para sua direção e depois abaixá-la. 5 O OLHO HUMANO A luz que incide sobre os objetos que nos cercam é refletida, penetrando pela pupila de nossos olhos; atinge a retina, onde é transformada em estímulo nervoso, e é enviada ao cérebro. Na parte central da retina encontram-se os cones receptores especializados em detectar as cores primárias. Alguns são mais sensíveis ao azul, outros ao vermelho e outros ao verde. Diante de um objeto azul, por exemplo, o cone responsável comunica ao cérebro a informação de que o objeto é azul. Se um objeto não tiver a cor primária, os cones associam-se informando ao cérebro que há uma mistura de cores. A percepção das cores e de suas diferentes tonalidades ocorre numa região do cérebro chamada córtex cerebral, ainda em estudo pelos biólogos e neurologistas. É bom alertar ainda que a visão das cores também apresenta elementos subjetivos: algumas sociedades preferem cores diferentes, ou mesmo as enxergam de maneira diferente. Se você pedir para uma criança desenhar e pintar uma pessoa, por exemplo, ela poderá pintá-la com qualquer cor, ou então pintará com cores diferentes as diversas partes do corpo da pessoa desenhada. O ARCO-ÍRIS O arco-íris ocorre porque as gotas de água da chuva (ou de neblina e cachoeiras muito altas, que podem deixar partículas de água em suspensão) decompõem a luz solar nas cores do espectro visível: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta, de maneira igual a de um prisma. Essa decomposição ocorre porque a chuva ou a cachoeira funcionam como um anteparo, ou seja, uma espécie de cortina muito fina que fica no meio do caminho dos raios de Sol. O arco-íris é, portanto, uma projeção dos raios solares sobre essa cortina ; é devido a essa projeção que o arco-íris tem a forma de arco. Para vê-lo, portanto, é necessário estar entre o Sol e a chuva. Isso significa que, se o Sol estiver a pino no momento da chuva, você não conseguirá ver o arco-íris. Facilita, também, se você ficar em um lugar em que o Sol não esteja nem muito alto, nem muito baixo, em relação ao horizonte. O COLORIDO DAS BOLHAS DE SABÃO Você provavelmente já observou as partes coloridas que se formam nas bolhas de sabão ou num película de óleo sobre uma superfície molhada, ou, ainda, em alguns CDs. Esse colorido é provocado pela interferência da luz refletida pelas partes superiores e inferiores da bolha de sabão ou do óleo. A diferença de espessura das películas em diferentes pontos faz com que os raios sejam refletidos de diferentes maneiras, provocando várias interferências e, portanto, fazendo com que apareçam diferentes cores. A LUZ É UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA Durante muito tempo os cientistas tentaram detectar o meio pelo qual a luz se propaga. Esse meio, chamado de éter (substância quase divina, segundo o filósofo Aristóteles), deveria ter umas propriedades bastante esquisitas: teria de ser bastante resistente, porque quanto mais sólido o objeto, mais rápido uma onda se propaga por ele. Ao mesmo tempo, deveria ser flexível o suficiente para que pudesse haver a difração. Como um objeto pode ser duro e, ao mesmo tempo, flexível? Depois de várias experiências e tentativas para explicar esse éter, o cientista escocês Maxwell, estudando os campos elétrico e magnético (que se propagam no vazio, sem necessidade de meio material), descobriu que esses campos se propagam com a velocidade da luz. Como os campos não precisam de um suporte material para se propagar, não havia qualquer problema em eliminar a idéia de éter, afirmando que a luz se propaga no vazio. A partir de então, a idéia de que a luz é uma onda eletromagnética foi adquirindo força, até ser aceita por boa parte da comunidade científica.

6 ÓCULOS ESCUROS: PROTEÇÃO PARA OS OLHOS (E PARA O CORAÇÃO) A utilização de lentes polarizadas nos óculos de sol permite que parte da luz incidente seja eliminada pelas lentes, diminuindo o excesso de luz. Essa diminuição protege os olhos, facilitando a vida das pessoas que sofrem de fotofobia (incômodo nos olhos com a presença da luz). Em especial nas praias, a reflexão da luz na areia e na água do mar não é espalhada em todas as direções, produzindo excesso de luz em algumas delas, ocorrendo, portanto, uma polarização indesejável. Muitas pessoas, então, utilizam os óculos escuros como polarizadores desejáveis : na maioria dos óculos escuros, as ondas eliminadas pelas lentes são as que vibram na direção horizontal, deixando pouca luz para os olhos. Embora tragam benefícios, as pessoas usam óculos escuros pelas mais diversas razões: por vaidade, charme, timidez (os olhares são mais livres) e outros, sem necessariamente consultar um especialista. Isso é um erro: se forem inadequados para uma determinada pessoa, os óculos podem causar danos à visão. 6 FLUORESCÊNCIA A fluorescência é uma forma de converter energia em luz. Na lâmpada fluorescente, alguns elétrons escapam dos seus filamentos e se chocam com as moléculas de gás (geralmente mercúrio e argônio) que estão dentro do tubo. Esse choque excita os elétrons dos átomos dos gases, além de provocar sua ionização (separação de elétrons do núcleo do átomo). Esses átomos ionizados são acelerados e também se chocam com outros átomos. Para voltar a seu estado original (antes da excitação), os elétrons emitem fótons de energia (luz). Tudo isso ocorre em um número muito grande de vezes enquanto a lâmpada está ligada. FOSFORESCÊNCIA É o fenômeno pelo qual certos elementos químicos, como o fósforo, emitem luz no escuro. Esse fenômeno ocorre devido à própria característica de seu átomo: quando são expostos ao aquecimento ou à luz, os elétrons ao redor do núcleo do átomo passam a girar mais rapidamente. Quando cessa esse aquecimento ou tira-se a luz, os elétrons voltam a girar normalmente, eliminando por meio de fótons (luz) a energia recebida pelo aquecimento ou pela luz incidente. Note que a excitação dos elétrons causa o aparecimento da luz (luminescência) nos dois fenômenos. N entanto, no caso da fluorescência, a luminescência termina com o fim da excitação dos elétrons, enquanto na fosforescência, perdura por um tempo maior após o fim da excitação. INCANDESCÊNCIA A incandescência é a produção de luz pelo aquecimento de um objeto. Você pode observar isso em um objeto adquirindo a cor vermelha à medida que está ficando quente. Para entender esse processo, vamos verificar a lâmpada incandescente. As átomos do metal que formam o filamento da lâmpada incandescente (geralmente o tungstênio) são aquecidos pela energia elétrica. Com isso, os átomos acabam se chocando, resultando em um aquecimento do tungstênio. À medida que aumenta a temperatura, devido aos choques, os elétrons dos átomos são excitados e, quando voltam ao estado original, acabam por emitir fótons e, portanto, luz. No caso da iluminação causada pelo fogo em geral, também é esse fenômeno que ocorre: átomos excitam-se e, quando param de se excitar, emitem fótons, na forma de luz. EXERCÍCIOS 1) Um prédio projeta no solo uma sombra de 10 m de extensão no mesmo instante em que uma pessoa de 1,80 m projeta uma sombra de 6m. Determine a altura do prédio.

7 7 2) Qual a altura de uma árvore que projeta uma sombra de 5m de comprimento, sabendo-se que nesse mesmo instante uma haste vertical de 3 m projeta uma sombra de 1,8 m? 3) Num mesmo instante, a sombra projetada de uma pessoa é de 5m e a de um edifício é de 80m. Sabendo que a altura da pessoa é 1,9 m, calcule a altura do edifício. 4) Qual o comprimento da sombra projetada por um obelisco de 20m de altura se, no mesmo instante, um muro de 0,9m de altura projeta uma sombra de 0,5 m? 5) Enuncie as duas leis da reflexão da luz. 6) Como funcionam aqueles espelhos que refletem de um lado e são transparentes do outro? 7) Espelhos planos. Associação em paralelo e a relação do número de imagens e o ângulo.