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Fenómenos Ondulatórios

Reflexão, refracção, difracção

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.

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 (hé a constante de Planck ). A partícula portadora dessa quantidade elementar de energia é o fotão.

Natureza dualística da radiação electromagnética

Campo magnético e eléctrico.

Jan-10 2Dulce Godinho

http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=437�



http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=437&ordem=2�



Radiação electromagnéticaO 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.


Fenómenos ondulatóriosOs 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.









Interferência e DifracçãoQuando as ondas se propagam e interagem entre si e com objectos sólidos.

Duas ondas que se propagam na mesma região do espaço combinam-se numaonda cuja função de onda é igual à soma algébrica das funções das ondasoriginais. Este fenómeno designa-se por interferência.

A interferência é construtiva quando as duas funções de onda têm o mesmosinal, ou destrutiva quando têm sinais opostos.

A difracção resulta da interferência de ondas deigual velocidade e comprimento de onda, cujasorigens são espacialmente da ordem de grandezado comprimento de onda.

A difracção é a impressão digital dosfenómenos ondulatórios. Note-se que umexemplo comum de difracção a três dimensões(ondas esféricas) pode ser observado na luzsolar em certas condições atmosféricas



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 se propaga 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.


• 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.

A reflexão da luz


A reflexão da luz


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 ).


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.

As leis da reflexão


As leis da reflexãoTais leis tem uma base empírica. Isto é, elas seguem de inúmeras observações dofenómeno.

Primeira 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."

Segunda lei O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

As duas leis, essencialmente empíricas, podem ser entendidas a partir da naturezacorpuscular da luz. De fato, podemos pensar na reflexão como resultado de colisão dosfotões com a superfície de separação entre dois meios. É algo parecido com a colisão deuma bola de ténis (ou outra bola) com uma parede. O fenómeno da colisão da bola coma parede obedece as mesmas leis da reflexão da luz (e vice-versa)Jan-10 11Dulce Godinho

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.


Índice de refracçãoAo mudar de meio a luz altera sua velocidade de propagação. Isto é de certaforma esperado, pois ao aumentarmos a densidade de um meio maior será adificuldade de propagação nele. Os fotões devem efectuar sucessivas colisões comas 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 avelocidade da luz nesse meio (v) é menor do que c. Portanto, podemos sempreescrever que

c = n v ou

cnv

=

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


Leis de refracçãoUm meio material será designado por meio (1), enquanto o outro meio serádesignado por meio (2). O índice de refracção do meio (1) designaremos por n1enquanto 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 θ1com a normal (N) à superfície (S) no ponto de incidência. Este raio é refractadoformando um ângulo θ2 com a normal (N) à superfície no ponto de incidência.


Primeira leiO raio incidente, o raio refractado e a normal pertencem a um mesmo

plano

Segunda lei - Lei de Snell-DescartesEstabelece 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.

1 1 2 2sin sinn nθ θ=

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

Leis de refracção

Se a incidência for oblíqua então o raio luminoso aproxima-se da normal naquelemeio que for mais refringente (isto é, aquele meio que tiver o maior índice derefracção). O meio com menor índice de refracção é, por outro lado, aquele no qual aluz se propaga mais rápido.


Ângulo limite de incidência - reflexão totalConsideremos agora o caso em que o meio (1) é mais refringente. Isto é, esse meio temum índice de refracção maior do que o outro meio. Consideremos a luz incidente nessemeio mais refringente. Agora ver-se-á que o ângulo de incidência atinge um valormáximo 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


Ângulo limite de incidência - reflexão totalComo 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

1 2sin sin 90Ln nθ =

Para n1>n2

2

1

sin Lnn

θ =


Ângulo limite de incidência - reflexão totalO 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 emlarga escala na área das telecomunicações. Trata-se das fibras ópticas. As fibras ópticaspermitem que a luz seja conduzida através da direcção de uma fibra (a fibra óptica). Elase tornou fundamental como meio para levar informações codificadas. E é hoje um dosprincipais instrumentos voltados para o trânsito de informaçõesJan-10 20Dulce Godinho

As fibras ópticas.Nos últimos anos surgiu uma tecnologia que revolucionou as comunicações - asfibras ópticas - que se baseiam no fenómeno da refracção.

Uma fibra óptica é um fio muito fino e flexível, feito com um materialextremamente transparente. O diâmetro usual de uma fibra óptica é de 50mícrons, isto é, 0,05 milímetros. O material da fibra é, em geral, a sílica (óxido desilício, SiO2)

A sílica das fibras feitas actualmente tem um grau tão elevado de pureza etransparência 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


A fibra tem um núcleo de sílica e uma interface de sílica misturada com outromaterial de menor índice de refracção

Por causa da diferença de índice de refracção entre o núcleo e a interface, um feixede luz fica confinado no interior da fibra e viaja por ela como a água num cano. Oângulo com que o feixe incide sobre a interface é sempre maior que o ângulocrítico, fazendo com que a luz se reflicta totalmente e fique presa no interior donúcleo.

As fibras ópticas.


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