Conforme um raio de luz passa de um meio para outro - como quando sai de um lago ou quando passa por seus óculos - você deve ter notado que ele se curva. Isso é chamado de refração e acontece em ângulos diferentes dependendo da luz incidente e do material. É também como os olhos podem ver e transmitir imagens ao cérebro.
Refração de Luz
Refração é a curvatura dos raios de luz conforme eles passam de um meio para um segundo meio. Resulta do fato de que a luz viaja em velocidades ligeiramente diferentes em meios diferentes. O quanto um raio de luz é refratado dependerá de quão diferente é sua velocidade no segundo meio em relação ao primeiro. Quanto maior for a diferença nas velocidades, maior será o ângulo de refração.
Você pode pensar sobre isso usando o princípio de menor tempo. Imagine um salva-vidas tentando alcançar um nadador, bem longe na costa e na água, no menor tempo possível. Ela sabe que pode correr muito mais rápido do que nadar. Tentar chegar ao nadador viajando em linha reta seria ineficiente por causa de sua velocidade de natação lenta em relação à velocidade de corrida; em vez disso, ela corre pela praia até ficar quase na frente do nadador e então pula na água.
A distância que ela viaja é maior, mas o tempo percorrido é menor por causa de suas diferentes velocidades em diferentes meios. Isso é o que a luz faz quando é refratada.
As ondas de água também podem ser refratadas ao viajar entre áreas de diferentes profundidades, porque as ondas viajarão em velocidades diferentes, dependendo se estão em águas rasas ou profundas.
Índice de refração
O índice de refração para um determinado meio é um número sem unidadenOnden = c / v, Ondecé a velocidade da luz no vácuo evé a velocidade da luz no meio. Quanto mais lentamente a luz viaja em um meio, maior será o índice de refração desse meio. A velocidade de uma onda de luz em um meio dependerá de seu comprimento de onda e, portanto, do índice de refração.
Isso leva a um fenômeno chamadodispersão, que pode ser visto em prismas de luz: Quando a luz branca, que contém ondas de luz de muitos diferentes comprimentos de onda, entra em um prisma, cada onda de luz componente é refratada em um ângulo diferente, dependendo de seu Comprimento de onda. Isso cria a aparência de um arco-íris.
O índice de refração no ar depende de muitos fatores, incluindo pressão e temperatura. As "ondas" vistas emanando de objetos quentes como o pavimento no verão ocorrem porque a luz refrata de maneira diferente através do ar mais quente do que do ar mais frio, causando imagens distorcidas.
Além disso, o ar perto de uma estrada quente no verão pode realmente refletir a luz que vem em direção a um observador em um ângulo raso, fazendo com que pareça como se houvesse um espelho ou uma superfície de água reflexiva no estrada.
Lei de Snell
A lei de Snell relaciona os índices de refração de dois meios, bem como o ângulo de incidênciaθeupara o ângulo de refraçãoθr, para como a luz se curva ao passar de um meio para o outro.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Esta equação pode prever o ângulo em que a luz refratará em um determinado meio, se os índices de refração de ambos os meios e o ângulo de incidência forem conhecidos. É válido em qualquer situação envolvendo a refração da luz, com quaisquer dois meios.
Reflexão interna total
Se as ondas de luz passarem de um meio com alto índice de refração para um meio com menor índice de refração, há um ângulo crítico acima do qual a luz se curva o suficiente para que nada se mova para o outro meio. Isso é chamado de reflexão interna total.
O ângulo crítico é o ângulo incidente para o qual o raio de saída tem um ângulo de refração de 90 graus. Então
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
Em ângulos acima do ângulo crítico, toda luz sofre reflexão interna total.
A reflexão interna total explica porque, de um certo ângulo, a superfície da água / ar em um tanque de peixes, quando observada de baixo, parecerá um espelho perfeito. O ar tem um índice de refração muito menor do que a água e, portanto, as ondas de luz em um ângulo raso em relação ao superfície de baixo irá refletir fora da superfície em vez de refratar através dela, criando um espelho.
A reflexão interna total também pode ocorrer em ondas de água e ondas sonoras.
Lentes
A refração da luz em um meio pode mudar quando a superfície entre os meios é curva. Na verdade, a luz que vem da mesma direção refratará em ângulos diferentes dependendo de onde ela atinge a superfície curva.
As lentes são peças de material transparente com lados curvos que usam refração para afetar o caminho da luz. Uma lente convergente é mais espessa no meio, permitindo que os raios de luz entrem de um lado da lente para convergir para um ponto focal do outro lado. Isso é o que as lentes de aumento e alguns telescópios usam.
Uma lente côncava é mais fina no meio do que nas bordas, e os raios de luz que entram de um lado são refratados para fora e se espalham à medida que emergem do outro lado.
Ambos os tipos de lentes são usados na visão corretiva, seja em óculos ou lentes de contato, dependendo de qual é o problema no olho.
Exemplos
Nossos olhos interpretam a luz usando refração. A luz entra na córnea e, em seguida, na lente, refratando em um ponto preciso na retina. A imagem é então transmitida ao cérebro através do nervo óptico. Olhos lacrimejantes levam à visão turva por causa das propriedades refrativas das lágrimas.
Qualquer coisa que contenha fibras ópticas depende da reflexão interna total. As fibras possuem alto índice de refração e são circundadas por material com baixíssimo índice de refração. Conforme a luz viaja pela fibra, seu ângulo com a parte externa da fibra é baixo o suficiente para impedir que escape. Isso permite que a fibra carregue uma luz muito focada por uma grande distância. A fibra óptica é usada principalmente em serviços de internet e telefone.
Arco-íris são causados pela refração e reflexo da luz do sol nas gotas de água no ar. Isso pode acontecer após tempestades ou em condições de neblina, mas também perto de cachoeiras e fontes. Como mencionado antes, diferentes comprimentos de onda (cores) de luz têm índices de refração ligeiramente diferentes para um determinado material, o que os faz refratar em ângulos diferentes. Um observador então vê um arco-íris de cores, em ordem de comprimento de onda.
A refração é o motivo pelo qual a água em uma lagoa parece mais rasa do que realmente é. Assim que a luz do ar entra na água, ela se curva em um ângulo mais raso em relação à superfície por causa da refração. Para um observador do lado "ar" da superfície, parece que tudo abaixo da superfície é mais raso, porque a luz é inclinada em ângulos mais rasos.
O ângulo crítico também influencia a maneira como as gemas são cortadas. Uma pedra preciosa pode ser cortada de forma que a luz que entra nela sofre uma reflexão interna total quando atinge as facetas posteriores, emergindo da frente da pedra novamente para fazê-la parecer mais brilhante. O diamante, com alto índice de refração, é particularmente ideal para isso, o que o torna uma pedra preciosa popular.
