19Física na Escola, v. 12, n. 2, 2011 Enxergando no escuro: a física do invisível

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Omundo ao nosso redor está repletode informação e a cada dia quepassa ela é cada vez mais produ-

zida e disponibilizada. Para que nos atua-lizemos e estejamos sempre conectados eintegrados com a sociedade, precisamossaber processar estas informações querecebemos e selecionar o que pode nos serútil e nos fazer crescer.

Por questões de sobrevivência,1 no de-correr da evolução de nossa espécie, apren-demos a captar e a processar as informa-ções que chegam até nós. Essas atividadessó são possíveis graças aos nossos órgãossensores e ao nosso sistema nervoso, quejuntos compõem os nossos cinco sentidos.É sabido que nossos sentidos são limita-dos, isto é, não apresentam respostas atodas as faixas de estímulo externo a queestamos submetidos. Podem-se citar os ca-sos da audição e da visão humanas.

Nossos órgãos auriculares, responsá-veis pela audição, são sensíveis a ondasmecânicas como o som, de frequências nafaixa de 20 Hz a 20.000 Hz. A faixa deintensidades de ondas mecânicas queconseguimos ouvir varia de pessoa parapessoa, mas geralmente, o nível mais bai-xo é da ordem de 10-12 W/cm2 e o maisalto (quando chegamos ao ‘limiar de dor’),é de 1 W/cm2. Porém, fora dessas faixas,ainda existem ondas mecânicas que nãopercebemos. Um exemplo bem conhecidode onda sonora fora de nosso alcanceauditivo é o ultra-som, com frequência

acima de 20.000 Hz, usado em examesmédicos de ultrassonografia e sentido poranimais como cães, golfinhos e morcegos.

A visão humana, sensível às ondaseletromagnéticas, também está restrita auma faixa pequena de frequências e inten-sidades. O espectro eletromagnético, mos-trado na Fig. 1, nos dá a ideia da variedadede ondas eletromagnéticas existentes nanatureza. Dentre as ondas que conhece-mos, que vão desde os raios-γ, as de maisalta energia, até as ondas de rádio/TV, asde mais baixa energia, só conseguimoscapxtar a região denominada ‘visível’, quevai do violeta ao vermelho.

Apesar de não enxergá-la, o ser hu-mano é capaz de captar a radiação eletro-magnética através de sensores artificiaise, com isso, utilizá-la em diversas aplica-ções. Exemplos comuns em nosso coti-diano são o forno de microondas, apa-relhos de imageamento por raios-X, tele-fone celular, rádio, televisão, sensores depresença, etc.

Em resumo, conseguimos captar osestímulos externos que nossos órgãosnaturais não conseguem perceber atravésde sensores apropriados e, através dainformação recebida por eles, utilizar essesestímulos para um fim útil [1-3].

Neste artigo propomos alguns expe-rimentos com o objetivo primário deauxiliar a introdução experimental ao es-pectro eletromagnético, em particular aregião infravermelha. A segunda intenção

Daniel Neves Micha1,2,4,*,Germano Maioli Penello2,4,Rudy Massami SakamotoKawabata3,4, Teo Camarotti3,4,Guilherme Torelly3,4 ePatrícia Lustoza de Souza3,4

1Centro Federal de EducaçãoTecnológica Celso Suckow da Fonseca,Petrópolis, RJ, Brasil2Instituto de Física, UniversidadeFederal do Rio de Janeiro, Reio deJaneiro, RJ, Brasil3Departamento de Engenharia Elétrica,Pontifícia Universidade Católica do Riode Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil4Instituto Nacional de Ciência eTecnologia de NanodispositivosSemicondutores, PontifíciaUniversidade Católica do Rio deJaneiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil*E-mails: micha@if.ufrj.br;danielmicha@hotmail.com

Apresentamos técnicas de imageamento noinfravermelho, que possibilitam ver no escuroe medir as temperaturas de um corpo ou deum ambiente. Alguns experimentos são pro-postos com o objetivo de auxiliar a visualizaçãodesse tipo de radiação, que está fora da faixaque conseguimos enxergar, e, por isso, dizemosinvisível. O grande diferencial desses experi-mentos é uma câmera fotográfica digital mo-dificada, que permite observar fenômenos noinfravermelho próximo. A facilidade de acesso,o baixo custo dos componentes e a familiari-dade com os materiais envolvidos nos experi-mentos fazem-nos acessíveis a qualquer pes-soa. Esperamos que o leitor se torne um mul-tiplicador desses conhecimentos, irradiando-ospara seus amigos, alunos e familiares.

Propriedades gerais das ondas

Para ondas harmônicas, podem-se definir algumas grandezas gerais, devido aoseu caráter periódico:

• Comprimento de onda (λ): distância entre dois ciclos;• Período (T): intervalo de tempo entre dois ciclos;• Frequência (f): o inverso do período. Taxa temporal com a qual a onda se propaga;• Velocidade de propagação (v): velocidade com a qual a energia e o momento são

transferidos de um ponto a outro. Essa grandeza é o vínculo entre aspropriedades espaciais e temporais das ondas:

V = λ / T = λ.f.

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riais. Uma classe particular de materiais,chamados semicondutores, é muito utili-zada para esse fim. Eles possuem a carac-terística de modificar suas propriedadeselétricas quando submetidos a radiação.Dentre os materiais semicondutores, o quemais se destaca, por seu uso comercial, éo silício (Si). Além de ter um custo baixo,ele é conveniente para aplicações onde sedeseja detectar a faixa de radiação do visí-vel (400 nm a 700 nm) e do infravermelhopróximo (700 nm a 1400 nm) por possuirabsorção deste tipo de radiação nesta faixade comprimentos de onda [6] (Fig. 3b).Uma aplicação direta das propriedadesópticas do Si é a utilização desse materialem sistemas de imageamento no visível,ou seja, as tão populares câmeras foto-gráficas digitais.

Além do silício, existem diversosmateriais semicondutores que tornampossível a detecção da radiação infra-vermelha. Normalmente, eles ocupam afamília IVA ou combinações das famíliasIIA, IIIA, VA e VIA da tabela periódica(Fig. 4). Exemplos típicos são [7]: o ger-mânio (Ge), o arseneto de gálio (GaAs), ofosfeto de índio (InP), o telureto de cádmio(CdTe), etc. Cada um desses materiais temuma faixa específica de absorção deradiação, o que faz com que cada um sirvaa uma aplicação específica, sendo umadelas o imageamento térmico, responsávelpelo mapeamento de temperaturas de umcorpo ou ambiente.

Experimentos que permitem“ver” o invisível

Para sair da teoria e entrar um poucona prática, recomendamos alguns expe-rimentos [8-11]. Os materiais necessáriospara sua execução são de fácil obtenção emuito simples de serem feitos.

O experimento 1 ajuda a demonstrarque apesar da radiação infravermelha nãoser muito conhecida fora dos meiostécnicos, é bastante utilizada em nossocotidiano e é, também, o princípio da visãonoturna. Já o experimento 2 demonstraa existência da radiação infravermelha

Ondas

Na natureza, existem dois tipos co-nhecidos de ondas: as mecânicas e as ele-tromagnéticas. Em ambas, há a trans-ferência de energia e momento de umponto a outro do espaço, porém de for-mas bem diferentes.

As ondas mecânicas são perturba-ções que se propagam ao longo de ummaterial. Isto ocorre devido às proprie-dades elásticas do mesmo: uma vez queum elemento do material é deslocado desua posição original ele tende a retornar,deslocando o elemento seguinte. Quandoeste novo elemento deslocado retorna,desloca o seguinte e, assim, sucessiva-mente, criando um perfil de deslocamen-tos que se propaga no material. Umexemplo de onda mecânica presente emnosso dia-a-dia é o som.

As ondas eletromagnéticas são gera-das por perturbações dos campos eletro-magnéticos no espaço. Isso pode ocorrerquando uma carga elétrica é aceleradaou uma corrente elétrica é acionada. Umexemplo de onda eletromagnética muitocomum é a luz.

do artigo consiste em exemplificar a utili-zação dessa radiação no cotidiano e, assim,tornar o leitor mais familiar com as tecno-logias vigentes.

Como “ver” o invisível

Existem diversas maneiras de sedetectar a radiação infravermelha. Noexperimento original que comprovou aexistência dessa radiação [4], simplestermômetros foram posicionados em todoo espectro visível da luz do sol, bem comoapós a região do vermelho, como pode servisto na Fig. 2b. Curiosamente, o termô-metro colocado nesta ultima região regis-trou a maior temperatura, indicando quehavia alguma radiação após o espectrovisível pelo homem. Essa radiação foi bati-zada inicialmente de calorífica e posterior-mente (no século XIX) de infravermelho.

Assim como no caso dos termôme-tros, há outras formas de detectar a radia-ção infravermelha baseadas na mudançade alguma propriedade física dos mate-

Figura 1 - Espectro eletromagnético.

Figura 2 - (a) William Herschel. (b) Re-presentação do experimento original quepermitiu à William Herschell a descobertado infravermelho [5].

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presente em fenômenos naturais, taiscomo o arco-íris, porém simulada atravésde meios artificiais análogos.

Experimento 1: “visão noturna”Através desse experimento consegue-

se demonstrar a existência da luz infra-vermelha emitida por um diodo emissor

Figura 3 - (a) Wafer de silício, geralmente usado para fabricação de dispositivos eletrônicos[5]. (b) Espectro do coeficiente de absorção do silício, indica como se dá a absorção de luzpelo silício para diversos comprimentos de onda [6].

Figura 4 - Tabela periódica dos elementos. A área demarcada dentro da linha vermelhaindica os elementos que formam sólidos semicondutores.

Figura 5 - Materiais utilizados na mon-tagem do experimento 1.

de luz (LED, do inglês “Light EmittingDiode”) e fazer observações no escuro.Como já discutido anteriormente, a luzinfravermelha é invisível ao olho humano.O que faremos para poder enxergá-la éapontar um dispositivo sensível a essaradiação que a traduzirá em informaçãocompreensível a nós. Isso será feito com

uma câmera fotográfica digital de com-putador (webcam) modificada e a infor-mação processada aparecerá na tela de umcomputador, permitindo que vejamos oinvisível.

Para que a webcam seja sensível tantoao visível quanto à radiação infraverme-lha, o filtro de infravermelho foi retirado(um guia de como fazer essa etapa é apre-sentado no Quadro 1). Ela é conectada aocomputador e, após instalação dos drivers,imageia como uma câmera de vídeo. Nestemomento, a câmera já é sensível aoinfravermelho, mas a imagem observadaé dada muito mais pelo visível. Por essemotivo, colocamos na frente da câmera umfiltro de luz visível. Materiais que podemser utilizados para tal fim são o materialmagnético presente no interior de umdisquete floppy 3,5” e um negativo total-mente revelado de filme de máquina foto-gráfica. Os materiais necessários para essaexperiência podem ser vistos na Fig. 5.

Ao acionar um LED, como se faz aopressionar um botão de um controle re-moto, gera-se radiação na faixa espectraldo infravermelho. Quando visualizadopor nós, aparentemente nada acontece, jáque não enxergamos a radiação emitidapelo LED. Estamos diante de uma radiaçãoinvisível. Porém, quando apontamos omesmo LED para a webcam modificada,vemos a fonte de radiação acionada, comopode ser visto na Fig. 6. Estamos, então,“vendo o invisível”. Na verdade, o sensorde silício contido na câmera está nos tra-duzindo esta radiação invisível, tornan-do-a visível através da conversão dessaradiação em um sinal elétrico que é en-viado ao computador e depois transfor-mado em imagem.

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Agora, faça o seguinte: apague as lu-zes do ambiente em que se encontra eaponte o controle e a câmera para umobjeto ou até mesmo para você. Mantenhapressionado um botão do controle remoto,de modo a emitir sua radiação. Você veráo objeto ou, no caso de ter apontado parasi próprio, você na tela do computador,mesmo sem a presença de luz visível.Dessa forma, você estará enxergando noescuro! Veja o exemplo dessa proposta naFig. 6-b, quando os autores apontaram oLED para si próprios.Experimento 2: “enxergando a luzinvisível além do vermelho”

Com esse experimento, demonstra-se a continuidade do espectro eletro-

Figura 6 - Experimento mostrando aexistência de luz invisível (radiação in-fravermelha). (a) O LED de um controleremoto, cuja radiação não pode ser en-xergada pelos olhos humanos, é iden-tificado por uma webcam. (b) O LED e awebcam são apontadas para um objetoou pessoas em uma região não ilumi-nada por luz visível, permitindo aoobservador ver no escuro.

Figura 7 - Equipamentos utilizados namontagem do experimento 2.

Figura 8 - Decomposição da luz brancade uma lanterna por um DVD através dofenômeno da difração. Fotografia obtidacom uma câmera convencional cujo filtrode infravermelho não foi removido.

infravermelha emitida pela lanterna e queestá sendo capturada pelo sensor da câ-mera. É a luz invisível que agora podemosenxergar. Para não deixar nenhumadúvida de que este clarão é radiaçãoinfravermelha, fizemos uma sequência defotos inserindo um filtro de luz visível, onegativo revelado de um filme fotográfico(similar ao usado no experimento ante-rior), na frente da lanterna. Na Fig. 9, po-demos ver a sequência da inserção do filtrode luz visível no caminho óptico do feixede luz e a consequente imagem que éformada. A sequência mostra que a ra-diação visível é cortada pelo filtro, mas,ainda assim, o clarão branco após a corvermelha continua existindo. Agora, tentevocê.

Com esses experimentos, esperamosque você, leitor, tenha se convencido daexistência de luz fora da faixa queenxergamos e entenda um pouco mais domundo ao seu redor. Esperamos tambémque você se torne um multiplicador dessas

Figura 9 - Sequência de fotografias do experimento 2 retiradas com a webcam “alterada”:luz branca de uma lanterna é difratada por um DVD gerando a divisão de seu espectrovisualizada no anteparo. (a) feixe de luz sem filtragem, (b) parte do feixe passando pelofiltro, (c) feixe de luz passando totalmente pelo filtro.

magnético após a última cor visível - overmelho. Ao separar o espectro de coresde uma fonte de luz branca, como umalanterna de filamento, por exemplo,através de um fenômeno dispersivo(refração, difração), observam-se as coresdo arco-íris. O interessante é que após overmelho existe mais radiação, mas nãoa vemos. Nesse experimento, utilizamosum DVD para dispersar as diversascomponentes de uma fonte de luz branca,como num arco-íris artificial, e atravésda webcam modificada percebemos aradiação não visível ao olho humano. Osmateriais utilizados nesse experimentopodem ser vistos na Fig. 7.

Em um ambiente escuro, aponte a luzbranca da lanterna para um DVD e ob-serve seu espectro devido ao fenômeno dadifração. Na região onde se visualiza o es-pectro decomposto, coloque um anteparopara uma melhor visualização. A olho nu,as cores visíveis são observadas dispersascomo em um arco íris. Um exemplo podeser visto na Fig. 8.

Após o vermelho nenhuma cor éobservada a olho nu no espectro da luzbranca. Porém, nessa região existe ra-diação, o infravermelho, que não pode servista pelo olho humano. Aponte a webcamalterada para essa região. O resultado, istoé, a imagem apresentada no computadorserá parecida com a da Fig. 9-a, ondepodemos ver que surge um clarão brancoapós a cor vermelha. Esta é a radiação

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Quadro 1 - Guia para retirada do filtro de infravermelhode uma webcam [8,12]

Retirar o filtro de infravermelho de uma webcam é bem simples, mas requer alguns cuidados para não prejudicar o sensor CCDnem o alinhamento das lentes. O primeiro passo é abrir a webcam, isolando a placa do circuito elétrico impresso que contém o CCDe as lentes (Fig. 10a). Feito isso, as lentes ópticas podem ser removidas girando-as da mesma forma que se ajusta o foco da câmera(Fig. 10b). Atenção, o sensor CCD ficará exposto! Qualquer sujeira que grudar ou objeto que bater no sensor prejudicará a imagemfinal. Cubra o sensor e mantenha-o assim até o momento da remontagem.

Agora, com muito cuidado, as lentes podem ser retiradas do conjunto lentes/suporte. Como fazer isso dependerá da webcamutilizada. Em algumas das marcas testadas basta desrosquear o sistema de lentes, já em outras este vem colado ao suporte e adesmontagem requer a habilidade de cortar ou serrar o suporte de maneira que seja possível remontá-lo novamente. Este passorequer muita cautela, pois as lentes, o filtro de infravermelho e os espaçadores podem se soltar no momento em que se desmontao conjunto. Ao abrí-lo (Fig. 10c), memorize a posição e a ordem de cada lente e espaçador para fazer a remontagem. Se apenas umalente for colocada no sentido errado, a webcam não formará uma imagem nítida. Para finalizar, separe o filtro de infravermelho eremonte o conjunto relembrando a ordem em que as lentes e suportes foram retirados (Fig. 10d).

Figura 10 - Sequência de retirada de filtro infravermelho: (a) desmontagem da webcam, (b) remoção do sistema de lentes, (c)separação do filtro de IR e (d) remontagem do sistema de lentes [8].

Enxergando no escuro: a física do invisível

informações e se divirta com seus amigos,alunos e familiares refazendo os experi-mentos aqui propostos e os que surjamcom a criatividade de cada um. Sugestõese propostas são sempre bem-vindas epodem ser enviadas aos autores para oendereço eletrônico divulgado na revista.

Referências

[1] Vídeo de divulgação das tecnologias eaplicações em infravermelho: http://www.youtube . com/wat ch?v=JFw_hktTcf4.

[2] D.N. Micha, Fabricação de Fotodetectoresde Radiação Infravermelha Baseados emPoços Quânticos para Detecção de Gases.Dissertação de Mestrado, Instituto deFísica, Universidade Federal do Rio deJaneiro.

[3] website da empresa Cartronic: http://

Divirta-se!Nota

1De acordo com a teoria de evolução dasespécies, as limitações de nossos sentidosse devem à interação de nossos antepas-sados com os elementos existentes na

natureza em suas épocas. Por exemplo, oespectro óptico de resposta visual do olhohumano (luz visível) encontra-se na faixaem que a absorção de radiação pela águaé mínima. Isso favoreceria a sobrevivênciade espécies subaquáticas, uma das formasda evolução da vida.

www.cartronic.com.br/produtos/cam-eras-traseiras-e-visao-noturna/80-night-vision.

[4] W. Herschel, Philosophical Transactions ofthe Royal Society of London 90, 284 (1800).

[5] website de divulgação da agência especialAmericana (NASA): http://www.nasa.gov.

[6] M.A. Green and M.J. Keevers, Progress inPhotovoltaics: Research and Applications3, 189 (1995).

[7] S.M. Rezende, Materiais e DispositivosEletrônicos (Editora Livraria da Física, São

Paulo, 2004), 2ª ed 548 p.[8] D.N. Micha, G.M. Penello, R.M.S. Kawa-

bata e T. Camarotti, Revista Brasileirade Ensino de Física 33, 1501 (2011).

[9] N.A. Gross, M. Hersek and A. Bansil,American Journal of Physics 73, 986(2005).

[10] K.-P.Mollmann anf M. Vollmer, Euro-pean Journal of Physics 28, S37 (2007).

[11] Z. Bochnicek, Physics Education 43, 51(2008).

[12] website de divulgação: http://www.hoagieshouse.com/IR/.

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Prêmio Jabuti 2011 em Ciências Exatas vai para livro de fìsica

Teoria Quântica - Estudos Históricos e Implicações Culturais, organizado por Olival Freire Jr.,Osvaldo Pessoa Jr. e Joan Lisa Brumberg, Editora Livraria da Fisica, São Paulo, 2010, 456 p.

O livro Teoria Quântica: Estudos Históricos e Implicações Culturais conquistou prêmioJabuti de 2011 na categoria Ciências Exatas. Trata-se de uma coletânea de artigos dediversos pesquisadores brasileiros e estrangeiros sobre o impacto da mecânica quânticana física e na sociedade de um modo geral. Alguns artigos versam sobre os primórdiosda teoria, enquanto outros se ocupam do fenômeno mais recente da febre “quântica”,um termo muitas vezes usado e abusado em diferentes contextos. O livro surgiu deconferência que reuniu diversos pesquisadores do Brasil, Itália, Alemanha e EUA e foirealizado pela Universidade Estadual da Paraíba, em Campina Grande, no ano de 2009.Os organizadores do livro são os profs. Joan Bromberg, Osvaldo Pessoa Jr. e OlivalFreire Jr., este último co-editor para a área de história da física e ciências afins da RevistaBrasileira de Ensino de Física.