Óptica: Refração

Quando a luz se desvia

Se um feixe de luz se propaga pelo ar e incide sobre a superfície de um lago, parte dos raios sofre reflexão e volta para o ar – é o que cria aquela luz forte, reflexo que ofusca. No entanto, outra parte dos raios atravessa a superfície e continua se propagando, agora pela água. A porção do feixe que mudou de meio de propagação – do ar para a água, neste caso – sofreu o fenômeno óptico chamado refração.
A refração ocorre sempre que a luz muda seu meio de propagação – do ar para um bloco de vidro, por exemplo. Essa mudança de meio provoca uma alteração na velocidade da luz. E, se o raio incidir obliquamente na superfície que separa os dois meios (a superfície do lago ou a face do bloco de vidro), provocará também um desvio na direção de propagação no raio refratado. Veja abaixo:

Ocorre refração também com o raio de luz que incide perpendicularmente à superfície que separa os dois meios. Mas, neste caso, quando o raio incide na mesma direção da reta normal, apenas a velocidade de propagação é alterada. O raio refratado não sofre desvio nenhum em relação ao incidente. Veja:

É o fenômeno de refração que faz com que um lápis mergulhado num copo de água pareça quebrado. A explicação é: o que se vê abaixo da linha da água não é o lápis propriamente dito, mas uma imagem virtual dele, criada pelo prolongamento dos raios luminosos refratados.
É o desvio da luz causado pela refração, também, que faz com que uma lâmina de vidro polida e lapidada no formato adequado se transforme numa lente de aumento.

ÍNDICE DE REFRAÇÃO

Índice de refração ou refringência (n) de m material é o número que estabelece a relação entre a velocidade de propagação da luz daquele material e a velocidade de propagação da luz no vácuo.
Em outras palavras, esse índice mede a facilidade que um raio de luz tem de se propagar num material. Matematicamente:

Repare na equação acima e observe:
• o índice de refração n é adimensional – um número puro, sem unidade de medida, que indica uma simples proporção;
• quanto maior for o índice de refração de um material, menor será a velocidade de propagação da luz dentro daquele material.
Na física, considera-se a velocidade de propagação da luz no ar igual à velocidade de propagação da luz no vácuo, e, portanto, o índice de refração do ar é n = 1. (Apesar disso, esse índice pode se alterar, por causa de vários fatores, como variação de temperatura.).

Veja o índice de refração de alguns materiais na tabela abaixo:

LEIS DA REFRAÇÃO

A refração é regida por duas leis.
• A primeira lei da refração diz que o raio incidente (i), o raio refratado (r) e a reta normal (N) à superfície de separação entre dois meios são coplanares, ou seja, pertencem ao mesmo plano.
• A segunda lei trabalha com ângulos. afirma que a razão entre os senos dos ângulos de incidência ( î ) e de refração ( r t ) depende apenas da razão entre os índices de refração dos materiais. Veja:

Durante muito tempo, os estudiosos tentaram descobrir alguma relação entre os ângulos de incidência e refração. Até que, no século XVII, o matemático holandês Willebrord Snell matou a charada. Ele encontrou a relação matemática entre os senos desses ângulos e os índices de refração dos materiais envolvidos na refração:

Pela lei de Snell-Descartes, sempre que um raio de luz sofre refração, passando de um meio menos refringente para um meio mais refringente, o raio refratado se aproxima da normal – ou seja, o ângulo de refração é menor do que o ângulo de incidência. Veja:

Por outro lado, sempre que um raio de luz sofre refração ao passar de um meio mais refringente para um menos refringente, o raio refratado se afasta da normal – o ângulo de refração é maior do que o ângulo de incidência. Veja:

ÂNGULO LIMITE

Um raio luminoso se propaga por um material mais refringente para outro menos refringente (ou seja, n 1 > n 2 ). Se esse raio atingir a superfície de separação dos dois meios em determinado ângulo limite (L) em relação à reta normal, o raio refratado será rasante à superfície de separação. Veja:

Sabendo que o ângulo de refração mede 90°, calculamos o ângulo limite (L) para quaisquer materiais, aplicando a lei de Snell-Descartes:

Ou seja, o ângulo limite depende da razão entre os índices de refração dos dois materiais.

Reflexão total

Quando um raio luminoso se propaga de um meio mais refringente para um menos refringente e incide sobre a superfície de separação de dois meios num ângulo maior que o ângulo limite L, acontece a reflexão total da luz.
O raio não consegue escapar do meio mais refringente, e a superfície de separação entre os dois meios funciona como um espelho, refletindo totalmente a luz.
Fixe bem: a reflexão total da luz só ocorre quando o raio luminoso está se propagando em um meio de índice de refração maior para outro, de índice de refração menor. E só é possível se o ângulo de incidência da luz na superfície de separação dos dois meios for maior que o ângulo limite L.