Reflexão total da luz e refração – Fibra óptica

Você sabe em que a reflexão e a refração da luz são aplicadas em nosso cotidiano? E como funciona a fibra óptica? Aprenda tudo isso neste post de Física para o Enem e para os vestibulares!

Fibra óptica talvez não seja um termo estranho, pois ouvimos muito falar nela. Mas será que seria um tema comum mesmo? Você sabe por que utilizar as fibras ópticas e para que servem?

Entenda como funcionam as fibras ópticas e a sua relação com o fenômeno da reflexão total. Aprenda Física com o Blog do Enem para gabaritar o Enem e os vestibulares.

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Atualmente consegue-se acessar a internet banda larga a uma velocidade altíssima devido ao aumento da capacidade dos sistemas de telecomunicações. E, isso de deve especificamente ao uso da fibra óptica – que melhora a taxa de transmissão de dados.

Para que estes dados sejam transmitidos é acoplado um laser que transmite nas fibras ópticas fazendo com que a luz viaje através das fibras. Para entender como a luz viaja através delas precisamos entender o que é a reflexão total.

Para começar, precisamos lembrar que quando a luz troca de meio (do ar para a água, por exemplo) ao se propagar temos o fenômeno da refração, onde ocorre uma mudança na velocidade com a qual a luz se propaga.

Isso faz com que tenhamos certa distorção na imagem que visualizamos. Dependendo do material, a luz sofrerá maior ou menor alteração da sua velocidade de propagação. Assim, concluímos que cada material possui seu índice de refração – que seria a maneira como determinado corpo deixa passar a luz através dele.

Para saber um pouquinho mais sobre a refração da luz, dê uma conferida no vídeo do canal O Kuadro:

https://www.youtube.com/watch?v=S4y41sykpxM

Agora que já recapitulamos a refração, veja a seguir o desenho de uma fibra óptica e de como a luz interage com ela:

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Como você já deve ter ouvido falar, nos cabos de fibra óptica os sinais luminosos são transmitidos ao longo de determinadas distâncias com informações (a serem transmitidas e recebidas) por um receptor óptico que decodifica estes sinais.

A viagem destes sinais luminosos é feita através da reflexão total que acontece dentro da fibra. O índice de refração dentro da fibra é maior do que o índice de refração da sua casca e quando isso acontece podem ocorrer dois fenômenos físicos: refração de uma parte dos raios e reflexão.

Quando atinge um determinado ângulo limite estes raios não mais se refratam e passam a fazer uma reflexão total no interior desta fibra. Veja no esquema a seguir:

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As condições que se seguem para a figura são as seguintes:

  • O índice de refração do meio 1 é maior que o do meio 2.
  • O ângulo limite é de 90º.
  • Para que haja reflexão total o ângulo de incidência deve ser maior que o ângulo limite.
Revise sobre ângulo limite e reflexão total neste curto vídeo do canal O Kuadro do YouTube.
https://www.youtube.com/watch?v=d5oBSqVWS7g

Existem ainda outras aplicações para a fibra óptica – como a sua utilização em endoscópios, telescópios, artigos de decoração, brinquedos e outras mais.

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Imagem de um Endoscópio

As fibras ópticas também apresentam muitas vantagens em relação aos cabos condutores de eletricidade como:

  • Alta taxa de transmissão de dados;
  • É bastante leve;
  • Imunidade a interferências magnéticas.

Por fim podemos afirmar que a fibra óptica é um dos avanços da tecnologia indispensáveis hoje perante a necessidade atual de acesso a internet com qualidade. Fique atento para os próximos posts e bons estudos.

Exercícios

1- (UECE) Uma escova de dentes tem seu cabo feito de plástico azul, no qual estão presas cerdas de nylon incolor. As pontas das cerdas parecem azuis quando a escova é iluminada com a luz do dia. O fenômeno ótico responsável principal por essa coloração azul nas pontas das cerdas é denominado

a) interferência construtiva.

b) reflexão total.

c) difração.

d) interferência destrutiva.

2- (ENEM) Será que uma miragem ajudou a afundar o Titanic? O fenômeno ótico conhecido como Fata Morgana pode fazer com que uma falsa parede de água apareça sobre o horizonte molhado. Quando as condições são favoráveis, a luz refletida pela água fria pode ser desviada por uma camada incomum de ar quente acima, chegando até o observador, vinda de muitos ângulos diferentes. De acordo com estudos de pesquisadores da Universidade de San Diego, uma Fata Morgana pode ter obscurecido os icebergs da visão da tripulação que estava a bordo do

Titanic. Dessa forma, a certa distância, o horizonte verdadeiro fica encoberto por uma névoa escurecida, que se parece muito com águas calmas no escuro.

Disponível em: http://apod.nasa.gov. Acesso em: 6 set. 2012 (adaptado).

O fenômeno ótico que, segundo os pesquisadores, provoca a Fata Morgana é a

a) ressonância.

b) refração.

c) difração.

d) reflexão.

e) difusão.

3- (UFSM) Antes do seu emprego nas comunicações, as fibras óticas já vinham sendo usadas para a iluminação e inspeção das cavidades do corpo humano, o que possibilitou o desenvolvimento de técnicas diagnósticas como a endoscopia. O fenômeno físico que permite guiar a luz, através de um feixe de fibras flexíveis, por um caminho curvo é a reflexão interna total. Para que esse fenômeno ocorra,

I. A luz deve incidir a partir de um meio de índice de refração mais alto sobre a interface com um meio de índice de refração mais baixo.

II. O ângulo de incidência da luz sobre a interface de separação entre dois meios deve ser tal que o ângulo de refração seja de, no mínimo,

III. A interface de separação entre os meios interno e externo deve ser revestida com um filme refletor.

Está(ão) correta(s)

a) apenas I.

b) apenas III.

c) apenas I e II.

d) apenas II e III.

e) I, II e III.

4- (COL.NAVAL) Observe a figura a seguir.

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Uma das maiores revoluções ocorridas nas últimas décadas foi o uso de cabos de fibra óptica para o tráfego de dados (voz, imagem, som, …) através das redes de telecomunicação.

O maior desses cabos, atualmente, é o SeaMewe 3 que sai da Alemanha e chega até a Coreia do Sul, passando por 32 países, num total de  de comprimento. Considerando a trajetória da luz pela fibra óptica (ver figura) e que o tempo médio de transmissão de dados entre a Alemanha e a Coreia do Sul seja de, aproximadamente,  pode-se afirmar que na fibra óptica ocorre o fenômeno da

a) dispersão e a luz tem velocidade de

b) reflexão e a luz tem velocidade de

c) refração e a luz tem velocidade de

d) reflexão e a luz tem velocidade de

e) refração e a luz tem velocidade de

Gabarito 

1. [B] 2. [D] 3. [C] 4. [B]

Os textos e exemplos acima foram preparados pelo professor John Rodnei para o Blog do Enem. John é graduando em Física pela Universidade Federal de Santa Catarina. Dá aulas de Ciências e Física em escolas e cursos pré-vestibulares da Grande Florianópolis desde 2012. Facebook: https://www.facebook.com/john.rodnei/