O que é refração?

A refração é um fenômeno ondulatório que descreve e determina o desvio de trajetória de uma onda para um meio material distinto. As duas leis matemáticas que explicam seu funcionamento determinam que todos os seus elementos (onda ou luz incidente/refratada) devem estar em um mesmo plano e que o desvio medido dependerá justamente do tipo de meio físico no qual ocorre a propagação. Para melhor compreender a influência do meio material na refração, usa-se o índice de refração para estabelecer uma proporção entre a velocidade da luz/onda no vácuo com as velocidades do meio físico em questão.

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Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre refração
• 2 - Leis da refração
• 3 - Refração da luz
• 4 - Refração ocular
• 5 - Refração de ondas
• 6 - Índice de refração
• 7 - Diferenças entre refração e reflexão
• 8 - Exercícios sobre refração

Resumo sobre refração

• A refração luminosa pode ser descrita pela seguinte fórmula: n₁ . senθ₁ = n₂ . senθ₂.
• A refração luminosa é um fenômeno físico que ocorre quando um raio de luz muda de velocidade e direção ao atravessar meios transparentes distintos.
• O olho humano, para formar a imagem na retina, precisa refratar a luz.
• O índice de refração é uma razão matemática simples entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um determinado meio transparente.
• Existem duas leis básicas que descrevem a refração: a primeira lei, que relaciona geometricamente os raios refratados e refletidos no mesmo plano, e a Lei de Snell-Descartes, que relaciona os ângulos de incidência e refração com seus índices de refração.
• A refração requer que haja mudança do meio material percorrido pela luz, já a reflexão, não.

Leis da refração

Para descrever a refração de uma maneira pertinente e que tenha coerência com os fenômenos observados experimentalmente, são necessárias duas leis. A primeira lei da refração obedece à compreensão geométrica da propagação da luz, de que raios de luz podem ser descritos como linhas que apenas percorrem trajetórias em linha reta a partir de sua emissão.

Dessa forma, matematicamente, podemos afirmar que a luz incidente, a luz refratada e a reta normal (usada como uma referência para a medição de ângulos de incidência, refração e reflexão) devem estar em um mesmo plano.

A segunda lei, responsável por matematicamente relacionar os ângulos de incidência e refração, se chama Lei de Snell-Descartes. O produto entre o índice de refração e o seno do ângulo que mede a inclinação do feixe de luz até a reta normal é uma constante.

Assim, montamos a Lei de Snell-Descartes como n₁ . senθ₁ = n₂ . senθ₂, sendo n₁ o índice de refração do meio da luz incidente e n₂ o índice de refração do meio da luz refratada. A partir dessa lei, é possível prever qual a mudança de direção sofrida pela propagação da luz baseada nos meios que estão interagindo.

Refração da luz

A refração da luz pode ser percebida em diversas ocasiões do nosso dia a dia. Na maior parte das vezes, ocorre em momentos em que tentamos enxergar objetos por meio de outras superfícies transparentes.

Quando se observa o fundo de uma piscina, é necessário levar em conta que a luz precisa atravessar a água até chegar ao seu fundo para ser refletida. Ao ar pela superfície de separação e sofrer o desvio esperado, a luz que será recebida pelos olhos irá construir uma imagem em uma posição diferente da original.

Como a luz proveniente do Sol e das fontes luminosas mais comuns são policromáticas (isto é, possuem diversas frequências de cores simultâneas), é possível notar a separação das cores da luz branca quando cada frequência de cor sofre uma refração distinta na agem por meios materiais, como o vidro ou a água.

De forma artificial, é possível construir lentes de vidro, ou resina, para corrigir problemas de visão como miopia ou hipermetropia. Se a luz precisa ser convergida na retina dos olhos, e em alguns problemas de visão essa formação não ocorre no lugar correto, as lentes oculares possuem índices de refração específicos para pontualmente colocar a luz que incide sobre os olhos em uma direção predeterminada.

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Refração ocular

A refração ocular é o fenômeno que ocorre especificamente quando a luz do ambiente externo a pelo globo ocular e forma uma imagem na retina. A luz é refratada pela córnea, cristalino e o corpo vítreo do olho, sendo convergida na parede do globo, que contém os nervos ópticos.

Em casos em que há má-formação do cristalino e da córnea, a refração da luz ambiente não ocorre de maneira satisfatória. Assim, a formação de imagens no globo ocular de pessoas que possuem defeitos de visão, como miopia ou astigmatismo, não acontece da maneira prevista. Nessas situações, são recomendadas lentes de correção, que, por meio de um processo de refração prévio, irão corrigir o caminho da luz até a retina.

Refração de ondas

Partindo do princípio de que os raios luminosos podem ser interpretados como ondas eletromagnéticas, podemos assumir que sua propagação ocorre através de frentes de ondas que se deslocam por uma direção.

Quando a frente de onda se encontra com uma superfície de separação entre dois meios materiais transparentes, sua direção irá mudar, alterando assim a propagação de toda frente de ondas planas após a refração.

Índice de refração

O índice de refração é uma grandeza escalar, adimensional, que representa a razão entre a velocidade da luz no vácuo (ou no ar) com a velocidade da luz em um meio material específico. Seu módulo sempre é maior que 1, e nenhuma velocidade em qualquer meio material pode superar a velocidade da luz no vácuo, que possui valor aproximado de c = 3 x 10⁸ m/s.

Assim, o índice de refração n é descrito pela equação: \(n = \frac{c}{v}\), em que v é a velocidade da luz ao ar por qualquer meio material, para cada frequência de luz.

Diferenças entre refração e reflexão

Reflexão e refração são dois fenômenos ópticos, porém bem diferentes entre si, mesmo acontecendo simultaneamente na maior parte das vezes. O raio refletido é uma parte da luz que, ao interagir com uma superfície, irá se manter no mesmo plano e no mesmo meio, indo a uma direção que tenha o mesmo ângulo de incidência. A refração ite que uma parte da luz atravesse uma superfície de separação, mudando de meio e podendo assim sofrer desvios.

Exercícios sobre refração

1. Quando um raio de luz a do vácuo para um líquido transparente e homogêneo, sua velocidade de propagação diminui em 50% em relação ao seu valor anterior. Qual o índice de refração absoluto da luz nesse líquido?

Resposta:

Sabendo que a velocidade da luz é constante e igual a c = 3 x 10⁸ m/s e que o índice de refração é dado por  \(n = \frac{c}{v}\), temos:

\(n = \frac{c}{c/2} \Rightarrow n = 2 \cdot \frac{c}{c} = 2 \)

O índice de refração desse meio é 2.

2. Determine o ângulo de incidência de um raio luminoso que parte do vácuo e incide com uma superfície de separação, refratando para um meio que tenha índice de refração \(\sqrt{3} \) e com 30° de inclinação em direção à normal. Considere que o índice de refração do vácuo seja 1.

Resposta:

\(n_1 \cdot sen\theta_1 = n_2 \cdot sen\theta_2 \)

Substituindo pelas informações

\(1. Sen\theta_1 = \sqrt{3} \cdot Sen 30^\circ \)

Como Sen30 = ½:

\(Sen\theta_1 = \sqrt{3}/{2} \)

Consultando uma tabela de senos, o ângulo que atende a esse valor é 60°.

Fontes

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física - Volume 4: Óptica e Física Moderna. 10ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2016.

HELENE, O.; HELENE, A. Alguns aspectos da óptica do olho humano. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 33, n. 3, 3312 (2011)

HEWITT, P. G. Física conceitual. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.