25/11/2015

Reflexão e Refração

Quando fazemos incidir um feixe de luz de uma lanterna ou de um laser, num espelho ou numa superfície polida, o feixe é refletido.
Como explicar este fenómeno?
Christian Huygens foi um dos primeiros cientistas a apresentar um modelo para o explicar: considerou que a luz se comportava como uma onda. Por outro lado, Isaac Newton optou por um modelo diferente e considerou que a luz era constituída por partículas, ou corpúsculos.
Os raios luminosos são representados por linhas imaginárias que têm a direção e o sentido da propagação das ondas.

Se um feixe de luz incidir numa superfície espelhada, comparando a direção do feixe incidente com a direção do feixe defletido, podem verificar-se as leis de reflexão:
  1. O raio incidente, a normal à superfície de separação dos dois meios e o raio refletido estão no mesmo plano.
  2. O ângulo de incidência, i, definido pelo raio incidente e pela normal, é igual ao ângulo de reflexão, r, definido pelo raio refletido e pela normal.
Se, por outro lado, um feixe de luz incidir numa superfície irregular, como as paredes, o papel, a madeira ou os metais não polidos, a luz é refletida em todas as direções e diz-se que há reflexão difusa ou difusão.




Refração da luz. Índice de refração. Leis da refração

Se fizermos incidir um feixe luminoso num bloco de vidro polido, verificamos que o feixe de luz penetra no vidro e experimenta um desvio; diz-se que a luz é refratada quando transita do ar para o vidro. Porém, observando com mais atenção, verificamos que também há reflexão; o feixe divide-se em duas partes. Uma pequena parte reflete-se, retornando ao ar, e a outra parte penetra no bloco transparente, refratando-se.
Se o raio incidente não coincidir com a normal à superfície de separação, o raio transmitido muda de direção ao atravessar a superfície: a luz refrata-se.
1ª Lei da refração
O raio incidente, a normal à superfície de separação dos dois meios e o raio refratado, estão no mesmo plano.
Porque razão ocorre refração quando a luz se propaga do ar para o vidro ou do vidro para a água?
O modelo ondulatório permite ilustrar melhor esta propriedade: as ondas luminosas propagam-se menos rapidamente no vidro do que no ar e por isso ocorre uma mudança de direção. Depois de a onda penetrar no vidro, a velocidade diminui, pelo que diminui a distância entre a crista das ondas.
A refração está, portanto, relacionada com a velocidade da luz nos materiais.
Para caracterizar o grau de refração de um material, utiliza-se o índice de refração, n, que pode ser definido como o quociente entre a velocidade da luz no vazio, c, e a velocidade do material, v.       n=c/v

Há alguma relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração?
Para pequenos ângulos de incidência, há proporcionalidade entre os valores de i e de r, mas para valores maiores que a hipótese não se verifica.
A relação entre os dois âsngulos, de incidência e de refração, foi descoberta em 1621, por Snell, e clarificada, mais tarde (1638) por Descartes. Constitui a 2ª lei da refração ou lei de Snell-Decartes:
Quando um raio luminoso é refratado na passagem do ar para outro meio transparente, verifica-se que a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração mantêm-se constante: sen i/sen r = n       (n>1)
A constante, n, é designada por índice de refração desse meio em relação ao ar.




Esta lei pode ser generalizada para qualquer par de meios. Assim, caso a luz se propague de um meio, cujo índice de refração é n1, para outro meio, com índice de refração n2, verifica-se a relação: (sen i / sen r = n2 / n1) = n2,1
A razão entre os senos dos ângulos de incidência e de refração é constante e igual a n2,1, sendo designada por índice de refração relativo do meio 2 em relação ao meio 1.
  
Como o índice de refração do ar é aproximadamente 1, o índice de refração do vidro em relação ao ar é praticamente igual ao índice de refração absoluto do vidro:  n vidro, ar n vidro
O índice de refração de uma substância é uma propriedade que pode ser utilizada como identificação, da mesma maneira que se utiliza o ponto de fusão ou o ponto de ebulição.

A refração e a dispersão da luz branca

A figura ao lado mostra o que acontece a um feixe de luz branca quando incide numa das faces de um prisma de vidro.
O feixe luminoso que emerge do prisma de vidro é um feixe divergente, com as cores do arco-íris. Diz-se que há dispersão da luz branca, originando-se um espectro.
  • As radiações azuis, de menor comprimento de onda, são mais desviadas do que as radiações vermelhas, que têm um comprimento de onda maior.
  • O índice de refração do vidro é maior para as radiações azuis do que para as radiações vermelhas (atendendo ao ângulo de refração experimentado por cada mini-feixe corado).
Embora a variação do índice de refração no vidro seja da ordem de 0,02 quando se comparam as radiações vermelhas com as violetas, este efeito é aumentado pelo facto de a refração acontecer nas duas interfaces: há um primeiro desvio do feixe à entrada no vidro e, depois, um segundo desvio quando o feixe sai do vidro, retornando ao ar.

A reflexão total
Partindo da situação em que um feixe da luz refratado é quase paralelo à superfície e aumentamos um pouco mais o ângulo de incidência (i), ao chegar ao ângulo crítico (ou ângulo limite) o feixe refratado desaparece e toda a luz passa a ser refletida. A este fenómeno dá-se o nome de reflexão total. Mas para que isso aconteça, é preciso que a luz seja proveniente de um meio mais refringente em relação ao outro (N1 < N2).
Para determinar o ângulo limite, usa-se a Lei de Snell-Descartes para ângulo de refração = 90 graus, portanto:




fenómeno da reflexão total é aplicado, por exemplo, na comunicação, através da fibra óptica que transmite informação a partir de ondas electromagnéticas. A luz atravessa o fio sem que haja perda considerável de energia ou interferência, ocorrendo sucessivas reflexões totais nas paredes da fibra.






Fontes
Desafios da Física, Daniel Marques da Silva, Lisboa Editora, 2008


Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...