Propriedades ópticas dos materiais

Produzido por Erick Pinho
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Teoria

Olá, tudo bem?

Neste capitulo vamos aprender sobre as propriedades ópticas dos materiais. Vocês já se perguntaram porque o vidro deixa passar toda a luz do sol?

Partiu compreender por que isso ocorre?

As propriedades ópticas estão relacionada com a “reação” do material à interação com radiação eletromagnética, especialmente com a luz visível. Sabem quais tipos de radiação existem? Luz, calor, raios X, ondas de rádio, raios gama, radiação infravermelha e radiação ultravioleta. Cada luz apresenta uma frequência de oscilação, vamos ver agorinha!!

Espectro Eletromagnético

Espectro eletromagnético é uma escala de radiações eletromagnéticas. E são apresentados os 7 tipos de ondas eletromagnéticas: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios x e raios gama.

O espectro eletromagnético mede as ondas eletromagnéticas. Observem na imagem que a velocidade é a mesma para todos, mas difere na frequência e no comprimento. Estes são medidos por meio das faixas do espectro, que sugerem a distribuição da intensidade do eletromagnetismo.

E sabe porque esses espectros são coloridos? Porque cada onda “fornece” uma cor, e elas estão associadas a uma dada frequência. Notem que quanto mais próximo do rosa menores são as ondas. As ondas com baixa frequência são mais longas, e as de alta frequência são curtinhas. Exemplo: ondas de rádio ficam numa das extremidades do espectro apresentam menor frequência e maior comprimento.

Velocidade, Frequência, Comprimento de Onda

Imaginem uma corda presa em uma das extremidades e na outra você movimenta ela para cima e para baixo, isso fará com que a corda forme ondas. Vamos analisar então quais são as informações importantes que podemos tirar dessas ondas.

Notem na figura abaixo, que o ponto mais alto da corda é chamada de crista da onda e o ponto mais baixo da corda, denomina-se vale da onda. A distância entre duas cristas ou dois vales é definida como sendo o comprimento de onda (λ) .

A distância entre uma crista e um vale consecutivos de uma onda é igual a meio comprimento de onda (λ/2) e a distância entre uma crista ou um vale à posição de equilíbrio é igual a um quarto do comprimento de onda (λ/4).

E podemos calcular a velocidade da onda através da equação:

v = ( λ × f )

Onde: λ é comprimento de onda, v é velocidade de onda em metros (m) e f é frequência em hertz (Hz).

Fótons

Em algumas situações, a visão da luz como uma onda não é suficiente para apresentar a radiação eletromagnética. Então podemos utilizar da artimanha de ver a luz como fótons. Mas o que são fótons?!

Imaginem pequenos “pacotes” que carregam a energia contida nas radiações eletromagnéticas, um fóton possui uma quantidade fixa de energia, que podemos encontra-la através da equação:

E = h v λ

Onde: λ é o comprimento de onda, v é velocidade de onda em metros (m) e h é constante de Planck (6,63 x 10-34 J.s).

Tipos de Materiais

Os materiais adequados para transmitir a luz são transparentes, com pouca absorção e reflexão (não absorvem e nem refletem). Os que transmitem luz, de maneira difusa, dispersa no interior do material, são translúcidos. Temos ainda os opacos, que são fechados para a transmissão de luz visível.

Os metais são opacos e apresentam refletividade. A cor “acinzentada” é determinada pela distribuição dos comprimentos de onda da radiação refletida, e não da absorvida.

Se o metal for prateado brilhante quando exposto a luz, este apresenta alta reflexão ao longo de toda a faixa do visível. Isso significa que as composições de fótons dos feixes incidente e refletido são similares. Exemplos: alumínio e prata.

O cobre e o ouro possuem aparência vermelho alaranjada e vermelho amarelada pois uma parte dos fótons com menores comprimentos de onda não é reemitida como luz visível. É como se eles absorvessem a parte azul da luz e só refletissem o vermelho e amarelo.

Refração

A luz transmitida para dentro dos materiais transparentes sofre um decréscimo de velocidade, e, como consequência fica parecendo “inclinada”. Esse fenômeno é conhecido como refração. Exemplo: observem o lápis mergulhado na água e aparenta estar quebrado

E como podemos calcular a refração?? O índice de refração (n) de um material é definido como sendo a razão entre a velocidade da luz no vácuo (c), e a velocidade da luz no meio (v). Ahhhh e o n depende do comprimento de onda da luz, já que a frequência depende exclusivamente da fonte de radiação.

n = c v

Reflexão

Quando a luz atravessa a interface entre dois meios com índices de refração diferentes (n1 e n2), mesmo que estes sejam transparentes, parte da luz é refletida na superfície.

R = n 2 - n 1 n 2 + n 1 ²

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Sobre refração determine a alternativa correta:

  1. Fenômeno que ocorre nas ondas eletromagnéticas que são transmitidas através de algum meio opaco.
  2. A refração da luz é verificada pelo aumento em sua velocidade de propagação.
  3. O índice de refração mede a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em outros meios.

Passo 1

Fenômeno que ocorre nas ondas eletromagnéticas que são transmitidas através de algum meio translúcido.

Passo 2

A refração da luz é verificada pela redução em sua velocidade de propagação.

Passo 3

Alternativa correta

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #2

A refração da luz advém quando a luz cruza algum meio refringente. Em relação a isso determine a alternativa correta:

  1. A velocidade da luz permanece constante.
  2. Não depende do comprimento de onda da luz
  3. Frequência da luz não se altera

Passo 1

No processo de refração da luz, a sua velocidade sofre mudança

Passo 2

No processo de refração esta depende do comprimento da luz

Passo 3

Alternativa correta

Resposta

Alternativa III

Exercício Resolvido #3

Na refração, ao passar pelo material, a velocidade de um raio de luz é de 3,42 x 108 m/s e a velocidade da luz no meio é de 2, 1 x 108 m/s

O índice de refração desse meio é de:

Passo 1

Primeiramente vamos determinar a fórmula do índice de refração

n = c v

Passo 2

Partiu calcular?

n = c v

n = 3 ,   42 x   10 8   m / s   2 ,   1   x   10 8   m / s = 1,62

Resposta

n= 1,62

Exercício Resolvido #4

Diariamente nos expomos a diversas radiações, exames médicos, raios solares, eletroeletrônicos. Escolha a opção que oferece a radiação de maior penetração no corpo humano.

  1. Luz visível
  2. Raios gama
  3. Ultravioleta

Passo 1

A luz visível ou espectro visível, é o conjunto de ondas eletromagnéticas que, ao entrar em nossos olhos, pode sensibilizar a retina.

Passo 2

Os raios gama oferecem frequências altas, atingindo até 1019 Hz, e comprimentos de onda da ordem de 10-11 m, sendo a radiação mais energética de todo o espectro eletromagnético.

Passo 3

Trata-se de um tipo de radiação eletromagnética com comprimento de onda de 200 a 400 nm e de frequência maior que a luz visível

Resposta

Alternativa B

Exercício Resolvido #5

Uma onda tem frequência de 35 Hz e se propaga com velocidade de 210 m/s. então, seu comprimento de onda vale, em metros.

  1. 4 m
  2. 0,60 m
  3. 6 m

Passo 1

Primeiramente vamos extrair os dados do enunciado e determinar a equação a ser usada

V = 210 m/s

f = 35 Hz

V = λ.f

Passo 2

V = λ.f

210= λ. 35

λ= 6 m

Resposta

Alternativa C

Exercício Resolvido #6

Na figura está representada a configuração de uma onda mecânica que se propaga com velocidade de 75 m/s.

Determine a frequência da onda, em hertz:

  1. 110 Hz
  2. 1,5 Hz
  3. 37,5 Hz

Passo 1

Primeiramente vamos extrair os dados do enunciado e determinar a equação a ser usada

V = 75 m/s

λ = 200 cm -> 2,0 m

V = λ.f

Passo 2

V = λ.f

75= 2,0. f

f= 37,5 Hz

Resposta

Alternativa C

Exercício Resolvido #7

As antenas das emissoras de rádio emitem ondas eletromagnéticas que se propagam a uma velocidade (2 x 105 km/s) e com frequências que mudam de uma estação para a outra. A rádio FM emite uma onda de frequência 70,3 MHz, Determine o comprimento de onda:

  1. 4   m
  2. 2,84   m
  3. 6,3   m

Passo 1

Sabendo que Mega = 10 6 , temos: f   =   70,3   M H z   =   70,3 x   10 6   H z

Passo 2

Sabendo que Kilo = 10 3 , temos:

Velocidade =   2,0 x   10 5   k m / s   =   2,0 x   10 8   m / s

Passo 3

V   =   λ . f

2,0 x   10 8   =   λ .   70,3 x   10 6  

λ   =     2,84   m

Resposta

Alternativa 2

Exercício Resolvido #8

Uma manifestação da torcida feminina de futebol erguem uma bandeira fazendo um movimento tipo senoidal, como apresentado na imagem a seguir. O efeito coletivo se propaga pelo público do ginásio, constituindo em uma onda progressiva.

A velocidade de propagação dessa ''onda humana'' é de 31 km/s, e que cada período de oscilação contém 20 garotas, que se levantam e sentam organizadamente a distâncias entre si de 70 cm. Determine a frequência da onda:

Passo 1

Conforme o enunciado, o período de oscilação tem 20 garotas, logo há 19 espaços entre elas, onde cada uma delas é de 70cm.

Assim calculamos o comprimento de onda λ da seguinte maneira:

λ = 19 x 70

λ = 1330 cm = 13,3 m

Passo 2

Sabendo que Kilo =103, temos:

Velocidade = 31 km/s = 31 x 105 m/s

Passo 3

V = λ.f

31x 105 = 13,3 x f

f= 233 kHz

Resposta

f= 233 kHz

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