Óptica das Ondas Fibra Óptica

1. Introdução

O presente trabalho é um relatório para exame de conclusão do curso, elaborado pelo estudante da Universidade Pedagógica, curso de Licenciatura em Ensino de Física com habilitações em Ensino de Electróncia. Durante o percurso estudantil nos quatro anos o proponente teve a oportunidade de receber instruções construtivas por parte dos docentes em diversas unidades temáticas nas diversas cadeiras que compõe a Física, das quais teve uma paixão pelo estudo das Oscilações Ondas e Ópticas, razão pela qual o proponente escolheu este tema, e é este que compõe o relatório.

Na parte inicial do trabalho, encontramos seguidamente os tópicos desenvolvidos, Óptica Geométrica ou dos raios como caso limite da Óptica Ondulatória, onde foca-se os aspectos relacionados com a divergência que existia entre as duas correntes (teorias corpuscular e ondulatória da luz) e a que consensos chegaram, a Óptica das Fibras ou Fibra Óptica, sua função e princípio de funcionamento, Espelhos Ópticos (tipos de espelhos, suas fórmulas e procedimento na obtenção de imagens), Lentes Ópticas (tipos de lentes, suas fórmulas e procedimento na obtenção de imagens), e finalmente o espectro da luz branca.

Esses tópicos são apresentados sob forma de resumo, simplesmente dando-se ênfase aos conceitos básicos, características gerais. Algumas imagens foram inseridas para ter uma ideia geral do assunto e para se deduzir algumas expressões matemáticas e equações, depois disso encontramos as fontes bibliográficas e os sites da internet consultados, e eles estão devidamente citados, finalmente na parte II do trabalho está anexado uma proposta de um plano de aula da 10ªclasse, sobre as grandezas que caracterizam uma onda mecânica.

        

Parte I

1. Óptica Geométrica ou dos raios como caso limite da Óptica Ondulatória

Na história da física, existiram vários exemplos de conceitos que exigiram revisão ou mesmo substituição, quando novos dados experimentais se opuseram a elas. Contudo, no caso da luz, foi a primeira vez em que duas teorias, completamente diferentes são simultaneamente necessárias, completando-se mutuamente: As Teorias corpuscular e ondulatória da luz. 

De acordo com as duas formas possíveis de transmissão de acção da fonte para o receptor, surgiram e começaram a desenvolver-se duas teorias completamente diferentes sobre a luz e a sua natureza. E o mais interessante é que elas surgiram quase ao mesmo tempo no século XVII. Uma dessas teorias está ligada ao nome Newton, e a outra ao Huygens^[1]. Newton era adepto da teoria corpuscular da luz de acordo com a qual a luz é um fluxo de partículas que saem da fonte em todas as direcções (transmissão de substância). De acordo com as ideias de Huygens, a luz são ondas que se propagam num hipotético meio especial -o éter- que ocupa todo o espaço e penetra no interior de todos os objectos. Durante muito tempo ambas as teorias existiram paralelamente. Nenhuma delas conseguia sair vitoriosa sobre a outra. Só o prestígio de Newton obrigava a maioria dos cientistas a concordar com a teoria corpuscular. As leis de propagação da luz, até então conhecidas, eram mais ou menos explicadas através de ambas as teorias. Com base na teoria corpuscular era difícil explicar por que razão os raios luminosos, que se intersectavam no espaço, não actuavam uns sobre os outros, visto que as partículas luminosas deveriam chocar e dispersar-se. A teoria ondulatória facilmente explicava o facto. As ondas, por exemplo na superfície da água passam livremente umas através das outras sem interactuarem entre si. No entanto a propagação rectilínea da luz, provocando o aparecimento das sombras dos objectos, dificilmente se explicava através da teoria ondulatória. Mas segundo a teoria corpuscular a propagação rectilínea da luz é apenas uma consequência da lei de inércia.        

Esta indefinição da situação em relação à natureza da luz prolongou-se até ao princípio do séc. XIX, quando se descobriu o fenómeno de difracção da luz (contorno de obstáculos de luz), e interferência de luz (aumento ou enfraquecimento da luminosidade quando se sobrepõe aos feixes luminosos). Esses fenómenos são específicos do movimento ondulatório. Explicá-los com o auxílio da teoria corpuscular não é possível. Por isso pensou-se que a teoria ondulatória tinha saído definitivamente vitoriosa. Tal ideia tornou-se mais forte quando Maxwell, na segunda metade do séc. XIX, demostrou que a luz é um caso particular das ondas electromagnética. Nos trabalhos de Maxwell foram lançadas as bases da teoria electromagnética da luz. Depois da descoberta das ondas electromagnética por Hertz^[2], não restaram mais dúvidas sobre o facto de que, a luz ao propagar-se se comporta como uma onda. No entanto no início do séc. XX as ideias sobre a natureza da luz começaram a mudar radicalmente. Inesperadamente verificou-se que a teoria corpuscular da luz rejeitada tinha algo a ver com a realidade. Quando se dá a radiação e absorção da luz ela comporta-se de maneira semelhante a um fluxo de partículas. Foram descobertas propriedades intermitentes também designadas quânticas da luz. Os fenómenos de interferência e difracção, como anteriormente, podiam explicar-se considerando a luz como uma onda, os fenómenos de radiação e absorção considerando-a um feixe de partículas luminosas. Essas duas ideias sobre a natureza da luz, que pareciam incompatíveis entre si, nos anos 30 do séc. XX acabaram por se combinar sem contradição numa nova teoria física- eletrodinâmica quântica.

Para conciliar tais factos, apresentou-se a natureza dual da luz, isto é, em determinados fenómenos, a luz se comporta como se tivesse natureza ondulatória e, em outros, natureza de partículas. O mesmo raio de luz pode difratar ao redor de um obstáculo e daí incidir na superfície de um metal, provocando a emissão de fotoeletrões. Porem em 1924, Louis De Broglie^[3] lançou a hipótese de que a luz apresenta natureza dual, mostrando pela equação:  [pic 1][pic 2]

2. Óptica das Fibras

“Uma fibra óptica é um meio de transmissão composta basicamente de material dielétrico (sílica ou plástico), e por um filamento de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de transmitir luz, ela possui uma longa estrutura cilíndrica transparente e flexível, podendo ser microscópicas (comparáveis a um fio de cabelo).