Fenómenos Ondulatórios

Fenómenos Ondulatórios
Reflexão, refração, difração
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Natureza dualística da radiação
electromagnética
A radiação electromagnética é um fenómeno
ondulatório envolvendo a propagação de um
campo magnético e de um campo eléctrico ,
em fase e perpendiculares entre si, na direcção
da propagação, de acordo com uma função
sinusoidal
A radiação electromagnética exibe tanto
comportamento ondulatório (com
fenómenos de interferência e de
difracção) como comportamento
corpuscular, observável no efeito
fotoeléctrico.
Campo magnético e eléctrico.
O efeito fotoeléctrico mostrou que a radiação electromagnética é emitida ou
absorvida pela matéria em quantidades discretas de energia, múltiplas de
uma quantidade elementar de energia Ef = hν, característica da frequência
da radiação (h é a constante de Planck ). A partícula portadora dessa
quantidade elementar de energia é o fotão.
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Dulce Campos
Radiação electromagnética
O espectro da radiação electromagnética é dividido de acordo com a
frequência (ou o comprimento de onda), abrangendo desde radiação
classificada como de alta energia como raios gama ou raios X (estes últimos
usados, por exemplo, em técnicas de difracção muito úteis para o estudo de
estruturas de moléculas), até radiação de baixa energia como as ondas rádio.
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Dulce Campos
Fenómenos ondulatórios
Os fenómenos ondulatórios são deformações ou perturbações que se propagam
ao longo de um qualquer meio (ou mesmo no vácuo).
Estes fenómenos têm em geral comportamento periódico, descrito
matematicamente por combinações de funções periódicas no tempo e no
espaço (ondas progressivas) e gozam de duas propriedades distintivas dos
fenómenos corpusculares: a interferência, da qual resulta a difracção, e a
quantização quando o fenómeno periódico ocorre num espaço confinado.
Os fenómenos ondulatórios são descritos pela Mecânica Ondulatória através de
uma Função de Onda que obedece à chamada Equação de Onda.
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Interferência e Difracção
Quando as ondas se propagam e interagem entre si e com objectos
sólidos.
Duas ondas que se propagam na mesma região do espaço combinam-se
numa onda cuja função de onda é igual à soma algébrica das funções das
ondas originais. Este fenómeno designa-se por interferência.
A interferência é construtiva quando as duas funções de onda têm o
mesmo sinal, ou destrutiva quando têm sinais opostos.
A difracção resulta da interferência de ondas
de igual velocidade e comprimento de onda,
cujas origens são espacialmente da ordem de
grandeza do comprimento de onda.
A difracção é a impressão digital dos
fenómenos ondulatórios. Note-se que um
exemplo comum de difracção a três
dimensões (ondas esféricas) pode ser
observado na luz solar em certas condições
atmosféricas
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A reflexão e a refracção da luz
• Quando a luz incide sobre uma superfície separando dois meios, podem
ocorrer dois fenómenos distintos: reflexão e refracção da luz.
• Parte da luz volta e propaga-se no mesmo meio no qual a luz incide -a
reflexão da luz.
• A outra parte da luz passa de um meio para o outro propagando-se nesse
segundo - a refracção da luz.
• Parte da luz é absorvida pelo objecto. Diferentes materiais absorvem luz de
forma diferente e por isso vemos objectos das mais variadas cores.
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A reflexão da luz
• Os dois fenómenos ocorrem concomitantemente. Pode haver predominância de
um fenómeno sobre o outro o que vai depender das condições da incidência e
da natureza dos dois meios.
• Se a superfície de separação entre os dois meios for plana e polida então a um
feixe incidente de raios luminosos paralelos corresponderá um feixe reflectido
de raios luminosos igualmente paralelos. A reflexão nesse caso será
denominada de regular.
• Se a superfície de separação apresentar rugosidades a reflexão será difusa.
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A reflexão da luz
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As leis da reflexão
• Quando o raio de luz incidir sobre a superfície de separação entre dois meios,
ela o fará num ponto P sobre a superfície. Por um ponto qualquer de uma
superfície podemos fazer passar uma recta que fura o plano e que é
perpendicular a ele - recta N, normal à superfície.
• O ângulo formado pelo raio (i) incidente e a recta normal (N) é o ângulo de
incidência (representado por î ).
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As leis da reflexão
Para o raio reflectido (r) se aplica uma definição análoga. O ângulo de
reflexão (r) é o ângulo formado pelo raio reflectido e a recta normal N.
O plano formado pelo raio incidente (ou a recta que o contém) e a
recta normal, é o plano de incidência. Analogamente, o plano de
reflexão é o plano que contém o raio reflectido r e a recta normal N.
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As leis da reflexão
Tais leis tem uma base empírica. Isto é, elas seguem de inúmeras observações
do fenómeno.
Primeira lei
Segunda lei
O plano de incidência coincide com o plano de
reflexão.
Dito de outra forma essa lei estabelece que "O raio
de incidência a recta normal e o raio reflectido
estão emitidos no mesmo plano."
O ângulo de incidência é igual
ao ângulo de reflexão.
As duas leis, essencialmente empíricas, podem ser entendidas a partir da
natureza corpuscular da luz. De fato, podemos pensar na reflexão como
resultado de colisão dos fotões com a superfície de separação entre dois meios. É
algo parecido com a colisão de uma bola de ténis (ou outra bola) com uma
parede. O fenómeno da colisão da bola com a parede obedece as mesmas leis da
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reflexão da luz (e vice-versa)
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A refracção da luz
• Quando a luz passa de um meio material para outro
meio ocorrem duas coisas:
• A velocidade de propagação da luz muda.
• A direcção de propagação também muda quando a
incidência não é oblíqua
• A passagem da luz de um meio para outro damos o
nome de refracção.
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Índice de refracção
Ao mudar de meio a luz altera sua velocidade de propagação. Isto é de
certa forma esperado, pois ao aumentarmos a densidade de um meio maior
será a dificuldade de propagação nele. Os fotões devem efectuar
sucessivas colisões com as partículas do meio provocando um atraso, isto
é, reduzindo sua velocidade.
A velocidade da luz no vácuo é a maior que qualquer objecto pode atingir.
Denominamos por c a velocidade da luz no vácuo. Num meio natural
qualquer a velocidade da luz nesse meio (v) é menor do que c. Portanto,
podemos sempre escrever que
c=nv
ou
c
n=
v
O coeficiente n é o índice de refracção do meio. É uma das grandezas
físicas que caracterizam o meio.
Os índices de refracção de uma substância são muito sensíveis ao estado
físico no qual ele se encontra (sólido, líquido ou vapor). Pode depender
ainda da pressão, temperatura e outras grandezas físicas
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Leis de
refracção
Um meio material será designado por meio (1), enquanto o outro meio será
designado por meio (2). O índice de refracção do meio (1) designaremos por n1
enquanto o índice de refracção do meio (2) designaremos por n2.
A luz incide no meio (1) de tal forma que o raio de luz incidente forma um
ângulo θ1 com a normal (N) à superfície (S) no ponto de incidência. Este raio
é refractado formando um ângulo θ2 com a normal (N) à superfície no ponto
de incidência.
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Leis de
refracção
Primeira lei
O raio incidente, o raio refractado e a normal pertencem a um
mesmo plano
Segunda lei - Lei de Snell-Descartes
Estabelece uma relação entre os ângulos de incidência, de
refracção e os índices de refracção dos meios.
Numa refracção, o produto do índice de refracção do meio no
qual ele se propaga pelo seno do ângulo que o raio luminoso faz
com a normal é constante.
n1 sin θ1 = n2 sin θ 2
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Leis de refracção
Se a incidência for normal (ângulo de incidência zero), o ângulo refractado
será nulo. Nesse caso a luz não sofre qualquer desvio. A única consequência
da refracção no caso da incidência normal é a alteração da velocidade da
luz ao passar de um meio para o outro
Se a incidência for oblíqua então o raio luminoso aproxima-se da normal
naquele meio que for mais refringente (isto é, aquele meio que tiver o maior
índice de refracção). O meio com menor índice de refracção é, por outro
lado, aquele no qual a luz se propaga mais rápido.
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Ângulo limite de incidência - reflexão total
Consideremos agora o caso em que o meio (1) é mais refringente. Isto é, esse
meio tem um índice de refracção maior do que o outro meio. Consideremos a
luz incidente nesse meio mais refringente. Agora ver-se-á que o ângulo de
incidência atinge um valor máximo o qual é o limite para incidência com a
ocorrência de refracção.
Ao aumentarmos o valor do ângulo de incidência teremos um aumento no
ângulo de refracção. O ângulo de refracção é sempre maior do que o ângulo de
incidência pois n1>n2
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Ângulo limite de incidência - reflexão
total
Como se determina?
Lei de Snell-Descartes e lembrando que o maior valor possível (em
princípio para o ângulo de refracção) é 90o obtemos o valor do ângulo
limite de incidência θL
n1 sin θ L = n2 sin 90
Para n1>n2
n2
sin θ L =
n1
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Ângulo limite de incidência - reflexão total
O que ocorre se a luz incidir num ângulo superior àquele
limite ?
Ocorre o que se denomina por reflexão total. Isto é, a luz retorna para o
meio do qual ela se originou. Simplesmente não ocorre refracção.
A ocorrência da reflexão total é responsável por um tipo de dispositivo utilizado
hoje em larga escala na área das telecomunicações. Trata-se das fibras ópticas.
As fibras ópticas permitem que a luz seja conduzida através da direcção de uma
fibra (a fibra óptica). Ela tornou-se fundamental como meio para levar
informações codificadas. E é hoje um dos principais instrumentos voltados para
o trânsito de informações
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As fibras ópticas.
Nos últimos anos surgiu uma tecnologia que revolucionou as comunicações as fibras ópticas - que se baseiam no fenómeno da refracção.
Uma fibra óptica é um fio muito fino e flexível, feito com um material
extremamente transparente. O diâmetro usual de uma fibra óptica é de 50
mícrons, isto é, 0,05 milímetros. O material da fibra é, em geral, a sílica
(óxido de silício, SiO2)
A sílica das fibras feitas actualmente tem um grau tão elevado de pureza e
transparência que a luz passa por ela perdendo muito pouca intensidade.
Um vidro de janela tem, normalmente, uns 5 milímetros de espessura.
Pois bem, uma janela hipotética, feita com a sílica usada nas fibras, teria
de ter uns 10 quilómetro de espessura para absorver o mesmo que a
janela de vidro comum de 5 milímetros
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As fibras ópticas.
A fibra tem um núcleo de sílica e uma interface de sílica misturada com
outro material de menor índice de refracção
Por causa da diferença de índice de refracção entre o núcleo e a interface,
um feixe de luz fica confinado no interior da fibra e viaja por ela como a
água num cano. O ângulo com que o feixe incide sobre a interface é sempre
maior que o ângulo crítico, fazendo com que a luz se reflicta totalmente e
fique presa no interior do núcleo.
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Dulce Campos
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Dulce Campos