Refração da luz: por que a fibra óptica e o arco-íris são parentes?

Aprenda tudo sobre refração da luz!

A era da informação em que vivemos hoje se baseia quase integralmente na física das ondas eletromagnéticas. Queiramos ou não, estamos globalmente conectados pela Internet, usando cabos de fibra óptica no processo.

O desafio atual para os físicos e engenheiros é tentar prever como serão as interconexões globais daqui a 20 ou 30 anos. E o ponto de partida para enfrentar esse desafio é compreender a física por trás de um dos fenômenos mais ricos que cercam as ondas eletromagnéticas: a refração da luz.

Antes disso, vamos relembrar como devemos encarar a luz.

1 – A Luz como Onda

A grande contribuição do físico-matemático escocês James Clerk Maxwell foi mostrar que um raio luminoso é uma onda progressiva formada por campos elétricos e magnéticos (uma onda eletromagnética) que se propaga no vácuo com velocidade finita (velocidade da luz c = 300.000 km/s) e que a óptica, o estudo da luz visível, é um ramo do eletromagnetismo.

Esquema de onda eletromagnética.
Esquema de onda eletromagnética.
Onda eletromagnética se propagando. λ é o comprimento de onda.
Onda eletromagnética se propagando. λ é o comprimento de onda.

Como mostra a figura abaixo, hoje conhecemos um largo espectro de ondas eletromagnéticas, que vai desde ondas que não conseguimos enxergar (raios X, micro-ondas, ondas de rádio etc) até ondas do espectro visível (as famosas cores do arco-íris).

Espectro Eletromagnético
Espectro Eletromagnético

Note que comprimentos de onda em torno de 700 nm correspondem à luz vermelha e comprimentos de onda em torno de 400 nm correspondem à luz violeta.

Como você pode ver, o substantivo “luz” se refere a qualquer tipo de onda eletromagnética, seja ela visível ou não.

2 – Fibra Óptica

Simulação: feixe de laser em fibra óptica.
Simulação: feixe de laser em fibra óptica.

Vimos no resumo que existe um ângulo crítico (ou um ângulo limite) para o qual um raio luminoso, que se propaga de um meio mais refringente para um meio menos refringente, sofre reflexão interna total de acordo com a equação:

A aplicação moderna mais importante da reflexão interna total é na transmissão de luz através de fibras ópticas. A figura abaixo mostra um feixe de laser incidindo sobre uma extremidade de um tubo de vidro longo e estreito.

Os raios passam facilmente do ar para o vidro, mas incidem na parede interna do tubo de vidro com um ângulo de incidência θc que se aproxima de 90°. Isso está bem acima do ângulo crítico, portanto, o feixe de laser sofre reflexão interna total e permanece dentro do vidro. O feixe continua em seu “zig-zag” até o fim do tubo como se a luz estivesse dentro de um cano.

Esquema de uma fibra óptica.
Esquema de uma fibra óptica.

Mas qualquer arranhão tubo pode alterar o ângulo de incidência e permitir “vazamento de luz”. A figura abaixo mostra o interior de uma fibra de vidro.

Um núcleo de vidro de diâmetro da ordem de micrômetros é envolto por uma camada de revestimento também de vidro. O índice de refração do núcleo é maior do que o de revestimento; logo, a luz sofre reflexão interna total na fronteira núcleo-revestimento e permanece confinada dentro do núcleo.

Para que um sinal luminoso consiga se propagar ao longo de centenas de quilômetros, é comum a utilização de luz na faixa do infravermelho (invisível para o ser humano).

A natureza é linda!
A natureza é linda!

3 – Dispersão Cromática e o Arco-Íris

O índice de refração n para a luz em qualquer meio, exceto o vácuo, depende do comprimento de onda. Isso significa que, quando um feixe luminoso é formado por raios de luz de diferentes comprimentos de onda, o ângulo de refração é diferente para cada raio; em outras palavras, a refração espalha o feixe incidente. Esse espalhamento da luz é conhecido como dispersão cromática, em que a palavra “dispersão” se refere ao espalhamento da luz de acordo com o comprimento de onda e a palavra “cromática” se refere às cores associadas aos diferentes comprimentos de onda.

Dispersão em um prisma.
Dispersão em um prisma.

Em geral, o índice de refração de um meio é maior para pequenos comprimentos de onda (correspondentes, por exemplo, à cor azul) do que para grandes comprimentos de onda (correspondentes, por exemplo, à cor vermelho). Por isso que, na figura acima, vemos que o feixe mais desviado é o azul e menos desviado é o vermelho.

Algo curioso é que o fenômeno do arco-íris é simplesmente uma combinação de refração, reflexão e dispersão.

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