Os efeitos de iluminação típicos que toda pessoa encontra com frequência na vida cotidiana são reflexão e refração. Neste artigo, consideraremos o caso em que ambos os efeitos se manifestam dentro do mesmo processo, falaremos sobre o fenômeno da reflexão total interna.
Reflexão da luz
Antes de considerar o fenômeno da reflexão total interna da luz, você deve se familiarizar com os efeitos da reflexão e refração comuns. Vamos começar com o primeiro. Por simplicidade, consideraremos apenas a luz, embora esses fenômenos sejam característicos de uma onda de qualquer natureza.
Reflexão é entendida como a mudança de uma trajetória retilínea, ao longo da qual um raio de luz se move, para outra trajetória retilínea, quando encontra um obstáculo em seu caminho. Este efeito pode ser observado ao apontar um ponteiro laser para um espelho. A aparência das imagens do céu e das árvores ao olhar para a superfície da água também é resultado do reflexo da luz do sol.
A seguinte lei é válida para reflexão: ângulosincidência e reflexão estão no mesmo plano junto com a perpendicular à superfície refletora e são iguais entre si.
Refração da luz
O efeito da refração é semelhante ao da reflexão, só que ocorre se o obstáculo no caminho do feixe de luz for outro meio transparente. Nesse caso, parte do feixe inicial é refletida da superfície e parte passa para o segundo meio. Esta última parte é chamada de feixe refratado, e o ângulo que ela faz com a perpendicular à interface é chamado de ângulo de refração. O feixe refratado encontra-se no mesmo plano que o feixe refletido e incidente.
Fortes exemplos de refração são a quebra de um lápis em um copo de água ou a profundidade enganosa de um lago quando uma pessoa olha para o fundo.
Matematicamente, este fenômeno é descrito usando a lei de Snell. A fórmula correspondente fica assim:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Aqui os ângulos de incidência e refração são denotados como θ1 e θ2 respectivamente. As quantidades n1, n2 refletem a velocidade da luz em cada meio. Eles são chamados de índices de refração do meio. Quanto maior n, mais lentamente a luz viaja em um determinado material. Por exemplo, na água a velocidade da luz é 25% menor que no ar, então para ela o índice de refração é 1,33 (para o ar é 1).
O fenômeno da reflexão interna total
A lei da refração da luz leva a umum resultado interessante quando o raio se propaga de um meio com n grande. Vamos considerar com mais detalhes o que acontecerá com a viga neste caso. Vamos escrever a fórmula de Snell:
1 sin (θ1)=n2 sin (θ 2).
Assumiremos que n1>n2. Nesse caso, para que a igualdade permaneça verdadeira, θ1 deve ser menor que θ2. Esta conclusão é sempre válida, pois apenas são considerados os ângulos de 0o a 90o, dentro dos quais a função seno é constantemente crescente. Assim, ao sair de um meio óptico mais denso para um menos denso (n1>n2), o feixe se desvia mais do normal.
Agora vamos aumentar o ângulo θ1. Como resultado, chegará o momento em que θ2 será igual a 90o. Ocorre um fenômeno surpreendente: um feixe emitido de um meio mais denso permanecerá nele, ou seja, para ele a interface entre dois materiais transparentes ficará opaca.
Ângulo crítico
O ângulo θ1, para o qual θ2=90o, é chamado crítico para o par de mídia considerado. Qualquer raio que atinge a interface em um ângulo maior que o ângulo crítico é refletido completamente no primeiro meio. Para o ângulo crítico θc pode-se escrever uma expressão que segue diretamente da fórmula de Snell:
sin (θc)=n2 / n1.
Seo segundo meio é o ar, então esta igualdade é simplificada para a forma:
sin (θc)=1 / n1.
Por exemplo, o ângulo crítico para a água é:
θc=arcsin (1 / 1, 33)=48, 75o.
Se você mergulhar no fundo da piscina e olhar para cima, poderá ver o céu e as nuvens correndo sobre ela apenas acima de sua própria cabeça, no restante da superfície da água apenas as paredes da piscina serão visíveis.
A partir do raciocínio acima, fica claro que, diferentemente da refração, a reflexão total não é um fenômeno reversível, ela ocorre apenas ao passar de um meio mais denso para um menos denso, mas não vice-versa.
Reflexão total na natureza e tecnologia
Talvez o efeito mais comum na natureza, impossível sem reflexão total, seja o arco-íris. As cores do arco-íris são o resultado da dispersão da luz branca nas gotas de chuva. No entanto, quando os raios passam dentro dessas gotículas, eles experimentam reflexão interna simples ou dupla. É por isso que o arco-íris sempre aparece duplo.
O fenômeno da reflexão total interna é usado na tecnologia de fibra óptica. Graças às fibras ópticas, é possível transmitir ondas eletromagnéticas sem perdas em longas distâncias.
