Tipos de laser

Existem vários tipos de laser. O material gerador do laser pode ser sólido, gasoso, líquido ou semicondutor. Normalmente o laser é designado pelo tipo de material empregado na sua geração:

•Lasers de estado sólido- possuem material de geração distribuído em uma matriz sólida (como o laser de rubi ou o laser Yag de neodímio:ítrio-alumínio-granada). O laser neodímio-Yag emite luz infravermelha a 1.064 nanômetros (nm). Um nanômetro corresponde a 1x10-9 metro.

•Lasers a gás- (hélio e hélio-neônio, HeNe, são os lasers a gás mais comuns) têm como principal resultado uma luz vermelha visível. Lasers de CO2 emitem energia no infravermelho com comprimento de onda longo e são utilizados para cortar materiais resistentes.

•Lasers Excimer- (o nome deriva dos termos excitado e dímeros) usam gases reagentes, tais como o cloro e o flúor, misturados com gases nobres como o argônio, criptônio ou xenônio. Quando estimulados eletricamente, uma pseudomolécula (dímero) é produzida. Quando usado como material gerador, o dímero produz luz na faixa ultravioleta.

•Lasers de corantes- utilizam corantes orgânicos complexos, tais como a rodamina 6G, em solução líquida ou suspensão, como material de geração do laser. Podem ser ajustados em uma ampla faixa de comprimentos de onda.

•Lasers semicondutores- também chamados de lasers de diodo, não são lasers no estado sólido. Esses dispositivos eletrônicos costumam ser muito pequenos e utilizam baixa energia. Podem ser construídos em estruturas maiores, tais como o dispositivo de impressão de algumas impressoras a laser ou aparelhos de CD.

Classificações do laser

Os lasers são classificados em quatro grandes áreas, conforme seu potencial de provocar danos biológicos. Todo laser deve portar um rótulo com uma das quatro classes descritas abaixo.

•Classe I - esses lasers não emitem radiação com níveis reconhecidamente perigosos.

•Classe I.A. - essa é uma designação especial aplicada somente aos lasers que "não devem ser vistos", tais como a leitora de preços a laser de um supermercado. O limite superior de energia da Classe I.A. é de 4 mW.

•Classe II - esses são lasers visíveis de baixa energia que emitem acima dos níveis da Classe I, mas com uma energia radiante que não ultrapasse 1 mW. A idéia é que a reação de aversão à luz brilhante inata nos seres humanos irá proteger a pessoa.

•Classe IIIA - esses são lasers de energia intermediária (contínuos: 1-5 mW) e são perigosos somente quando olhamos na direção do raio. A maioria dos apontadores a lasers se encaixa nesta classe.

•Classe IIIB - são os lasers de energia moderada.

•Classe IV - composta pelos lasers de alta energia (contínuos: 500 mW, pulsados: 10 J/cm2 ou o limite de reflexão difusa). São perigosos para a visão em qualquer circunstância (diretamente ou espalhados difusamente) e apresentam provável risco de incêndio e risco à pele. Medidas significativas de controle são requeridas em instalações que contêm laser Classe IV.

Laser

Laser

Os lasers estão em toda parte, numa grande variedade de produtos e tecnologias. Aparelhos de CD, brocas de dentista, máquinas de corte de metal ultra-velozes e sistemas de medição usam lasers. Mas o que é um laser? E o que faz um raio laser ser diferente do facho de luz de uma lanterna?

Luz do laser

A luz do laser é muito diferente da luz normal. A luz laser tem as seguintes propriedades:

•A luz liberada é monocromática. Ela contém um comprimento de onda específico de luz (uma cor específica). O comprimento de onda de luz é determinado pela quantidade de energia liberada quando o elétron vai para uma órbita menor.

•A luz liberada é coerente. Ela é "organizada" - cada fóton se move juntamente com os outros. Isso significa que todos os fótons têm frentes de onda que são iniciadas em uníssono.

•A luz é bem direcionada. Uma luz laser tem um feixe muito estreito e é muito forte e concentrada. A luz de uma lanterna, por outro lado, libera luz em várias direções, além da luz ser muito fraca e difusa.

Para que essas três propriedades ocorram, é necessário algo chamado emissão estimulada. Essa emissão não ocorre numa lanterna comum - em uma lanterna, todos os átomos liberam seus fótons de forma aleatória. Na emissão estimulada, a emissão de fótons é organizada.

O fóton liberado por qualquer átomo tem um determinado comprimento de onda que depende da diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental. Se esse fóton (que possui uma determinada energia e fase) encontrar outro átomo com um elétron em estado excitado idêntico, a emissão estimulada pode ocorrer. O primeiro fóton pode estimular ou induzir emissão atômica de tal maneira que o fóton emitido como consequência (a partir do segundo átomo) vibrará na mesma frequência e direção que o fóton recebido.

Outro ponto fundamental do laser é um par de espelhos, um em cada ponta do meio gerador. Os fótons, com um comprimento de onda e fase muito específicos, refletem-se nos espelhos para viajar de um lado a outro do material gerador de laser. No processo, eles estimulam outros elétrons a fazer com que a energia decrescente aumente e podem causar a emissão de mais fótons de igual comprimento de onda e fase. Um efeito dominó acontece e logo se terão propagado muitos e muitos fótons de mesmo comprimento de onda e fase. O espelho em uma das pontas do laser é semiprateado, o que significa que ele reflete uma parte da luz e permite a passagem de outra parte. Essa parte da luz que consegue passar é a luz laser.

Física Quantica

Há pouco mais de cem anos, o físico Max Planck, considerado conservador, tentando compreender a energia irradiada pelo espectro da radiação térmica, expressa como ondas eletromagnéticas produzidas por qualquer organismo emissor de calor, a uma temperatura x, chegou, depois de muitas experiências e cálculos, à revolucionária ‘constante de Planck’, que subverteu os princípios da física clássica.

Este foi o início da trajetória da Física ou Mecânica Quântica, que estuda os eventos que transcorrem nas camadas atômicas e sub-atômicas, ou seja, entre as moléculas, átomos, elétrons, prótons, pósitrons, e outras partículas.

Albert Einsten, criador da Teoria da Relatividade, foi o primeiro a utilizar a expressão quantum para a constante de Planck E = hv, em uma pesquisa publicada em março de 1905 sobre as conseqüências dos fenômenos fotoelétricos, quando desenvolveu o conceito de fóton. Este termo se relaciona a um evento físico muito comum, a quantização – um elétron passa de uma energia mínima para o nível posterior, se for aquecido, mas jamais passará por estágios intermediários, proibidos para ele, neste caso a energia está quantizada, a partícula realizou um salto energético de um valor para outro. Este conceito é fundamental para se compreender a importância da física quântica.

Geradores

Gerador Elétrico

Em 1831, tanto Michael Faraday, no Reino Unido, como Joseph Henry, nos Estados Unidos, demonstraram cada um a seu modo, mas ao mesmo tempo, a possibilidade de transformar energia mecânica em energia elétrica.

Gerador de Corrente Alternada

1. As duas extremidades da armadura de um gerador de corrente alternada ligam-se a anéis condutores, a que se apoiam escovas de carbono.
2. A armadura gira e a corrente flui no sentido anti-horário. A escova do anel A conduz a corrente para fora da armadura, permitindo que uma lâmpada se acenda; o anel B devolve a corrente à armadura.
3. Quando a armadura gira paralelamente ao campo magnético, não há geração de corrente.
4. Uma fração de segundos depois, a armadura volta a girar paralelamente ao campo magnético, e a corrente inverte seu sentido: a escova do anel coletor Ba conduz para fora da armadura e a do anel A a devolve à armadura.

Princípio de funcionamento

O gerador elétrico mais simples é formado por uma espira plana com liberdade suficiente para se mover sob a ação de um campo magnético uniforme. Essa espira gira em torno de um eixo perpendicular à direção das linhas de força do campo magnético aplicado. A variação do valor do fluxo que atravessa a espira móvel induz nela uma força eletromotriz. Assim, a força eletromotriz resulta do movimento relativo que há entre a espira e o campo magnético. A corrente produzida desse modo é alternada. Para se obter corrente contínua, é preciso dotar o gerador de um dispositivo que faça a retificação da corrente, denominado coletor dos dínamos. Pela descrição do princípio de funcionamento dos geradores, vê-se que possuem dois circuitos distintos: o do induzido e o do indutor. No caso do gerador elementar descrito, o induzido seria a bobina móvel e o indutor o campo magnético.



Tipos de Geradores

Os geradores podem ser divididos numa enorme quantidade de tipos, de acordo com o aspecto que se leve em conta. Além dos dois grupos mais gerais - geradores de corrente contínua e de corrente alternada, os dínamos podem ser, quanto ao número de pólos, dipolares e multipolares; quanto ao tipo de enrolamento do induzido, podem ser em anel e em tambor; quanto ao tipo de excitação, auto-excitados e de excitação independente.
O enrolamento em anel adotado por Gramme está praticamente em desuso. O enrolamento induzido consiste num cilindro oco em torno do qual se enrola continuamente o fio isolado que constitui a bobina. O enrolamento em tambor, inventado por Siemens, consiste num cilindro em cuja superfície externa estão dispostas as bobinas do induzido. Essas bobinas são colocadas em ranhuras existentes na superfície do tambor, sendo suas duas pontas soldadas às teclas do coletor. Conforme a maneira como é feita essa ligação, os enrolamentos são classificados em imbricados e ondulados e podem ser regressivos ou progressivos.
A corrente para a excitação do campo magnético pode ser fornecida pelo próprio gerador. Nesse caso, diz-se que o gerador é auto-excitado. Quando a corrente para a excitação é fornecida por uma fonte exterior, o gerador é de excitação independente.

Ohm

Primeira Lei de Ohm

A Primeira Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador Georg Simon Ohm, indica que a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o percorre:

V= R . I

onde:

V é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou ddp) medida em Volts

R é a resistência elétrica do circuito medida em Ohms

I é a intensidade da corrente elétrica medida em Ampères

Segunda lei de Ohm

Esta lei descreve as grandezas que influenciam na resistência elétrica de um condutor, conforme cita seu enunciado:

A resistência de um condutor homogêneo de secção transversal constante é proporcional ao seu comprimento e da natureza do material de sua construção, e é inversamente proporcional à área de sua secção transversal. Em alguns materiais também depende de sua temperatura.

Sendo expressa por:

Onde:

ρ= resistividade, depende do material do condutor e de sua temperatura.

ℓ= largura do condutor

A= área da secção transversal.

A unidade de resistência elétrica é o ohm (Ω)

Teoria da Relatividade

No estudo da Mecânica, a velocidade, por exemplo, é uma grandeza relativa, ou seja, sua medida depende do referencial do qual está sendo medido. Em conseqüência disso, outras grandezas que dependem da velocidade também são relativas como, por exemplo, a energia cinética e a quantidade de movimento. A energia potencial também é uma grandeza relativa, pois o seu valor (mgh) depende do referencial que se adota para medir a altura. Comprimento, massa e tempo são tidos como grandezas absolutas no estudo da Mecânica, mas também se tratam de grandezas relativas. No entanto, a relatividade dessas grandezas só evidencia-se quando no estudo de situações em que se têm velocidades muito elevadas, ou seja, não desprezíveis se comparadas com a velocidade da luz no vácuo, que é aproximadamente 3,0 x10⁸ m/s.

O Início da Teoria da Relatividade

A teoria da relatividade foi uma revolução para o século XX, pois ela provocou inúmeras transformações em conceitos básicos como também proporcionou que fatos importantes, ainda não explicáveis, pudessem ser explicados. Essa teoria surgiu com o físico alemão Albert Einstein. Nascido em Ulm, Einstein foi físico e pesquisador muito conhecido por ter proposto a teoria da relatividade, mas também foi ele quem explicou corretamente o efeito fotoelétrico, fato esse que possibilitou o desenvolvimento da bomba atômica, mesmo sem ele saber para quais fins se destinava.

A teoria da relatividade é composta de duas outras teorias: Teoria da Relatividade Restrita, que estuda os fenômenos em relação a referenciais inerciais, e a Teoria da Relatividade Geral, que aborda fenômenos do ponto de vista não-inercial. Apesar de formar uma só teoria, elas foram propostas em tempos diferentes, no entanto ambas trouxeram o conhecimento de que os movimentos do Universo não são absolutos, mas sim relativos.

A teoria da relatividade restrita foi construída por Einstein a partir de dois importantes postulados:

1ª – Postulado da Relatividade: as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de referência inercial.
2ª – Postulado da Constância da Velocidade da Luz: a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para qualquer referencial inercial, ou seja, c = 300 000 km/s.

A Relatividade no Cotidiano

A relatividade pode não ser um assunto muito comum no dia-a-dia, mas ela faz parte do nosso cotidiano. Quando aproximamos da velocidade da luz tudo muda, nesse sentido a relatividade é muito importante. Não é possível ver como que isso ocorre utilizando carros e aviões, mas as partículas subatômicas podem se movimentar muito rápido, podendo alcançar velocidades bem próximas à velocidade da luz.

Um instrumento muito comum na atualidade utiliza mecanismos advindos da relatividade para determinar com alta precisão a posição na Terra, esse é o chamado GPS. Encontrado em celulares de última geração, esse instrumento depende de 24 satélites ao redor da Terra para a determinação correta da posição, mas se não fosse a relatividade todas as medidas estariam erradas. Os cálculos e correções relativísticos são necessários em conseqüência da velocidade dos satélites, aproximadamente 14 mil km/h. Essa velocidade é realmente pequena se comparada com a velocidade da luz, mas mesmo assim os cálculos são necessários. O aparelho de GPS está cada vez mais presente em nosso cotidiano, seja no avião, nos automóveis, navio, em muitos lugares podemos encontrá-lo. Caso não fossem calculados os efeitos da relatividade, poderiam acontecer grandes desastres.

Força elétrica

Lei de Coulomb – Esta lei diz respeito à intensidade das forças de atração ou de repulsão que agem em duas cargas elétricas puntiformes (cargas de dimensões desprezíveis), quando colocadas em presença uma da outra.

Considere duas cargas elétricas puntiformes, Q1 e Q2 , separadas pela distância d. Se os sinais dessas cargas forem iguais, elas se repelem; se forem diferentes, se atraem.

A força elétrica é originada pela interação de uma carga elétrica com outras cargas elétricas, que podem ter sinal positivo ou negativo. Esta força pode ser de repulsão ou atração, conforme os sinais das cargas; se de sinais contrários se atraem as de sinais iguais se repelem.

Fórmula de força entre duas cargas:

Onde:

F é a força de interação entre duas partículas (N)
k é uma constante (N.m²/C²)
Q é a carga elétrica da primeira partícula (C)
q é a carga elétrica da segunda partícula (C)
d é a distância que separa as duas partículas (m)

Para o vácuo k = 9 . 10⁹