Qual é o princípio da propagação de um feixe de luz no interior de uma fibra óptica?

Os princípios da óptica são os seguintes: propagação retilínea da luz, reversibilidade dos raios luminosos e independência dos raios de luz.

Os avanços tecnológicos permitem facilitar a rotina do ser humano. Nesse sentido a fibra óptica nos proporcionou uma grande revolução na eficiência de transmissão de dados e um grande salto para exames medicinais. Saiba como investigando aqui, no Curso Enem Gratuito! Nesta aula, vamos explicar os princípios da óptica e como funcionam os fenômenos da reflexão e refração da luz.

A óptica é um ramo da física destinado ao estudo dos fenômenos luminosos e se baseia em três princípios básicos: propagação retilínea da luz, reversibilidade dos raios luminosos e independência dos raios de luz.

Princípio da propagação retilínea da luz

O princípio da propagação retilínea da luz diz que nos meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. É por causa desse princípio que existem sombras, penumbras e eclipses.

Princípio da reversibilidade dos raios luminosos

O princípio da reversibilidade dos raios luminosos afirma que a trajetória seguida pela luz independe do sentido de sua propagação. Isso explica por que quando olhamos para um passageiro no banco traseiro de um carro através de um retrovisor, o passageiro também nos enxerga.

Princípio da independência dos raios de luz

O último princípio da óptica diz que, quando dois raios de luz se cruzam, cada um deles segue sua trajetória como se o outro não existisse.

Videoaula sobre os princípios da óptica

Antes de prosseguir com a aula escrita, assista à videoaula abaixo, em que o professor Rossetto, de Física, explica os princípios da óptica!

É imprescindível que você faça uma revisão dessas considerações iniciais antes de estudar os fenômenos de reflexão e refração pois serão utilizadas nomenclaturas que supomos já adquiridas pelos alunos. Conhecendo bem esses conceitos e princípios que alicerçam a óptica passamos ao estudo do fenômeno de reflexão.

Reflexão e refração da luz

Antes de enunciarmos as leis da reflexão é preciso saber o que é reflexão. Para isso, considere que um feixe de luz incida sobre uma interface que divide dois meios, como na figura abaixo. No ponto de incidência na interface traçamos uma reta normal N (que faz um ângulo de 90° com a superfície).

Três fenômenos ocorrem na incidência: parte do raio é refletido, parte é refratado e parte é absorvido. Se o raio luminoso incidente incidir na superfície e retornar ao meio 1 houve reflexão e se o raio de luz mudar o meio de propagação (passar do meio 1 para o meio 2) ocorre o fenômeno de refração. A absorção se dá pela absorção da energia luminosa pelas moléculas contidas na interface dos meios.

Leis da reflexão da luz

Dito isso, passamos às leis da reflexão, que são duas. A primeira diz que o raio incidente, a reta normal e o raio refletido estão localizados sobre o mesmo plano. Isso é fácil de observar a parti da figura acima. A segunda lei diz que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. Para saber qual são esses ângulos, basta notar a figura abaixo.

Observação: pra que uma superfície seja considerada refletora ela deve estar bem polida e o meio 2 deve ser opaco. Nessas condições chamamos a superfície S da figura acima de espelho.

Refração da luz

Você provavelmente já deve ter observado que um canudo fica parecendo estar “quebrado” quando inserido obliquamente num líquido, como na figura abaixo. Esta ilusão de óptica é explicada pelo que chamamos em física de refração da luz, ou seja, quando a luz muda seu meio de propagação.

Já vimos que quando a luz se propaga de um meio e incide sobre uma superfície podem ocorrer os fenômenos de reflexão, refração e absorção. A refração ocorrerá se o segundo meio for transparente, por exemplo, um feixe de luz mudando sua propagação do ar para água.

Determinamos se um meio é mais transparente/homogêneo que outro através do índice de refração n, ou refringência, que nada mais é do que a fração entre a velocidade da luz no vácuo c pela velocidade da luz v no meio em análise. Matematicamente:

A refração da luz é baseada principalmente na lei de Snell-Descartes. Observe a figura abaixo onde um feixe de luz se propaga de um meio 1 para o meio 2, cujos índices de refração são respectivamente 

Na incidência normal da figura A, não corre desvio, pois o ângulo de incidência é de 90°. Se aumentarmos gradualmente o ângulo de incidência i a refração somente ocorrerá até que o ângulo de incidência atinja o valor limite L. Se continuarmos aumentando o ângulo de incidência, o raio luminoso não refrata mais e sim é totalmente refletido. A este fenômeno damos o nome de reflexão interna total.

As fibras ópticas utilizadas na transmissão de dados de internet se baseiam nesse fenômeno. Elas são construídas de tal forma que o índice de refração da fibra seja maior que o índice de refração do ar. A luz é introduzida em uma das extremidades de uma fibra óptica (como as da figura abaixo) e é transmitida para a extremidade oposto quase sem perdas de sinal, devido à reflexão interna total que ocorre nas paredes da fibra.

As fibras ópticas são utilizadas em vários ramos da tecnologia como nas redes telefônicas, em cabos submarinos, TV a cabo, na medicina elas são utilizadas para iluminar o interior dos órgãos em alguns exames e cirurgias.

Exercícios sobre os princípios da óptica

Sobre o(a) autor(a):

O texto acima foi elaborado pelo Prof. Dr. Fernando Henrique Martins. Fernando é bacharel e licenciado em Física pela Universidade de Brasília, possui Mestrado (pela UnB) e Doutorado em Nanotecnologia pela Université Pièrre et Marie Curie (Paris/França). Foi professor de ciências, matemática e física em várias escolas de Brasília e Florianópolis atuando desde o ensino fundamental ao ensino médio. Fernando também lecionou disciplinas de física para diversos cursos de engenharia e física na Universidade Federal de Santa Catarina. E-mail: [email protected] Facebook: https://www.facebook.com/nando.martins.376?ref=bookmarks

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