Você encontra lentes todos os dias. Seja a lente da câmera do seu celular, as lentes dos óculos ou lentes de contato que você usa para ver claramente, lentes de aumento, microscópios, telescópios ou algo totalmente diferente, a física das lentes explica como um simples pedaço de vidro pode ser usado para ampliar, minimizar ou trazer imagens para o foco para qualquer propósito.
Essencialmente, as lentes funcionam dobrando os raios de luz que passam por elas através da refração, mas esse ponto básico pode ser implementado de maneiras diferentes, que variam de acordo com o tipo de lente. Felizmente, o básico dessas lentes é fácil de entender quando você aprende um pouco mais sobre como elas funcionam.
O que é uma lente?
Uma lente é um pedaço de material transparente que é moldado de modo a fazer com que os raios de luz se dobrem de uma maneira específica à medida que passar por ele, quer isso signifique fazer os raios convergirem para um ponto específico ou divergir como se de um determinado apontar. O material usado pode ser um pedaço de vidro ou plástico, e o formato da lente determina se ela causa a convergência ou divergência dos raios de luz. A palavra “lente” vem da palavra latina para “lentilha”, devido à semelhança na forma entre uma lente convergente e a leguminosa.
A curvatura real dos raios de luz produzidos por uma lente ocorre porque o material da lente tem um índice de refração diferente do ar circundante. Este comportamento é descrito pela lei de Snell para refração, que relaciona a diferença de ângulo entre o raio de luz incidente e refratado aos índices de refração para os dois materiais.
Em suma, a lei diz que se você estiver indo de uma substância de índice de refração inferior para uma superior (por exemplo, do ar para o vidro), o raio de luz é desviado para o "normal" para o superfície (isto é, em direção à direção perpendicular à superfície naquele ponto) e que o oposto é verdadeiro para os raios de luz que vão de um material de índice de refração mais alto para um material de índice de refração mais baixo 1.
Definições
Existem alguns termos exclusivos usados em óptica, e entendê-los é crucial se você estiver estudando a física das lentes.
- O ponto focal é o ponto onde os raios paralelos convergem após passarem por uma lente.
- O comprimento focal de uma lente é a distância de seu centro ao ponto focal, essencialmente definindo o “poder de curvatura” de uma lente.
- O eixo óptico é a linha de simetria da lente.
- UMA raio de luz é uma aproximação do caminho da luz, onde linhas retas são usadas para representar o movimento das ondas de luz (ou fótons). Cada ponto em um objeto produz raios de luz em todas as direções possíveis, mas geralmente alguns raios específicos são escolhidos para determinar a localização da imagem resultante.
- A lente ótica é uma única peça de material projetada para fazer os raios de luz convergirem (lentes convexas) ou divergirem (lentes côncavas).
- UMA lente biconvexa é uma lente ótica simples com dois lados convexos (produzindo a forma semelhante a uma lentilha que deu o nome às lentes), às vezes chamada de lente convexa-convexa e tendo uma distância focal positiva por definição. Eles são usados em lupas, telescópios, microscópios e até mesmo no olho humano.
- O profundidade de campo descreve a gama de distâncias nas quais os objetos estão em foco quando vistos através de uma lente, e é uma terminologia comum em fotografia em particular. Uma vez que os sensores de luz nas câmeras são de tamanho fixo, se a imagem for um pouco desfocado, mas a quantidade de erro é suficientemente pequena, não será realmente registrado como fora de foco. Essa faixa de foco é a profundidade de campo.
- O lente principal é uma lente usada em fotografia com uma distância focal fixa, ao contrário das lentes de zoom, onde a distância focal pode ser alterada. Em outros contextos, entretanto, lente primária pode ser usada para significar a lente primária em um sistema composto de múltiplas lentes.
Diagramas de Raios
Os diagramas de raios são uma ferramenta extremamente útil em óptica e são usados para encontrar o local onde uma imagem será formada com base na localização do objeto e da lente. Ao desenhar alguma luz-chave emergindo de um objeto e marcando seu caminho conforme eles passam pelas lentes, o ponto onde eles se encontram é onde a imagem será formada.
Este processo pode ser feito usando a lei de refração de Snell, mas alguns truques também podem simplificar o processo. Por exemplo, um raio que passa pelo centro da lente quase não é desviado, e um que atinge a lente perpendicular ao eixo óptico é refratado para passar através do ponto focal para o lente.
A imagem produzida pela lente pode ser real ou virtual. Para uma imagem real, os raios de luz convergem para formar uma imagem em um local específico, e você poderia ver essa imagem se colocasse uma tela naquele local. No olho humano e na região atrás da lente da câmera, células ou materiais fotossensíveis são usados para captar essa imagem.
Uma imagem virtual é diferente: quando os raios divergem de uma lente, sua orientação a torna Veja como se viessem do local da imagem virtual. Em outras palavras, se você seguir os raios refratados para trás, mas apenas seguindo linhas retas, todos eles convergirão para o local da imagem virtual. No entanto, os raios de luz não convergem fisicamente neste local e, se você colocasse uma tela lá, não veria uma imagem.
Tipos de lentes e como funcionam
A lente de uma câmera é um dos tipos mais familiares de lentes que você encontra diariamente, e essas lentes vêm em muitos tipos diferentes, embora todos compartilhem os mesmos princípios básicos de operação descritos anteriormente.
Uma lente principal é uma lente básica com uma distância focal fixa, e uma lente de zoom tem uma distância focal variável, então você não precisa mudar fisicamente sua localização para colocar algo em foco. Uma lente grande angular é um tipo de lente com uma distância focal muito pequena que aumenta drasticamente o campo de visão, e uma lente olho de peixe é essencialmente uma versão extrema de uma lente grande angular.
Outros exemplos são lentes telefoto, que têm distâncias focais muito longas e se destinam a capturar assuntos distantes distância e lentes macro que se destinam a focalizar em intervalos muito próximos e produzir versões em tamanho real ou ampliadas de objetos.
Outros tipos comuns de lentes são lentes de óculos ou lentes de contato, e ambas funcionam para corrigir os problemas de sua visão. Se você é "míope", isso significa que suas lentes criam imagens na frente da retina sensível à luz em seu olho e, portanto, você precisa de lentes divergentes (côncavas) para mover a imagem mais para trás.
Se você tiver "hipermetropia", as lentes em seus olhos produziriam uma imagem mais atrás do que suas retinas, então você precisa de lentes convergentes para corrigir esse problema.
Tanto as lentes de contato quanto os óculos corrigem isso da mesma maneira - adicionando uma lente corretiva adicional para tornar o a distância focal do seu olho corresponde à distância da sua retina - mas existem diferenças porque as lentes de contato ficam diretamente no seu olhos. Em uma lente de contato, a lente não precisa cobrir tanto espaço (ela só precisa ser grande o suficiente para sua pupila em sua dilatação máxima) e pode conseguir isso com menos material. Para lentes de óculos, a lente precisa cobrir uma área muito maior e, como resultado, é mais espessa.