Leis da Refração

Dentro do estudo da física, um dos campos mais importantes do conhecimento é o dos estudos ópticos. Definido de forma simples, mas bastante utilitária, este campo pode ser conceituado como aquele que se dedica aos estudos dos fenômenos que têm como origem a energia radiante.

O termo energia radiante é utilizado a partir dos estudos de diversos tipos de luzes, como a infravermelha e a violeta. Os estudos partem da constituição dessas luzes, passando pela projeção de imagens e chegando ao estudo de partículas minúsculas como a estrutura dos átomos.

É importante destacar as premissas, ou seja, os conceitos consolidados no campo da óptica para que se possa trabalhar de maneira adequada seus diversos fenômenos.

O primeiro deles dita que a luz é, em sua essência, uma onda eletromagnética, ou seja, premissas utilizadas em outros campos de aplicação de ondas eletromagnéticas, como as ondas de rádio, micro-ondas e raio-X podem ser aplicados em seu estudo.

O segundo é que a luz sempre se propaga no vácuo em velocidade de 3.000 m/s, mas essa propagação é diferente em matérias que possuam densidade, espessura e composição diferentes.

Esses materiais de propagação correspondem a meios transparentes, nos quais a trajetória da luz é bem definida; meios translúcidos, nos quais a luz tem dificuldade para passar, acarretando em trajetórias não regulares; e os meios opacos, os quais a luz simplesmente não consegue atravessar.

É importante destacar que os estudos ópticos têm grande importância em nossa vida cotidiana. Além de explicar fenômenos naturais bastante intrigantes, como o arco-íris, a aurora boreal e as miragens, eles têm implicações decisivas na medicina e na biologia.

Graças a este tipo de estudo foi possível a criação dos óculos de grau, para correção de transtornos da visão, e dos óculos de sol, que verdadeiramente protegem nossos olhos. Além disso, microscópios e outros instrumentos da medicina e da biologia utilizam a óptica como seu princípio, permitindo, por exemplo, a visualização de elementos e organismos em escala nanoscópica e, consequentemente, o avanço da medicina em diversas áreas.

Neste artigo, vamos nos concentrar em um tema bastante importante nos estudos ópticos: as leis da refração. Vamos a elas.

Primeira lei da refração

Para quem já estudou as leis da reflexão, destacamos que as leis da refração são análogas a elas. A primeira coisa a ser esclarecida é que, quando falamos em refração, estamos necessariamente tratando de um raio de luz que incide sobre determinada superfície e que, por sua vez, estabelece uma separação entre dois meios. A título de exemplo, estes meios podem ser o ar e o vidro, o ar e a água, dentre outros.

Cada meio estabelece um índice de refração; temos, portanto, importantes informações para começar a entender o fenômeno. Denominaremos o meio 1 como M1 e seu índice de refração como meio n1, e faremos o mesmo com o meio 2, ou seja, M2 e n2. A superfície sobre a qual a luz incide será chamada de S.

No momento em que o raio de luz está em M1 e incide com a superfície, que a título de exemplo está corretamente na horizontal, ele está em determinado grau em relação à chamada normal, reta de 90° que representa o ponto em que ela incide sobre a superfície, que aqui será chamado de 01. Quando a luz atravessa a superfície para chegar ao M2, sua frequência não é alterada, mas sua velocidade e seu comprimento sim. Dito de outra forma, ao ser refratada, a onda de luz passa por um desvio em sua direção original, que gera um novo ângulo em relação a normal, aqui chamado de 02.

Aqui temos a primeira das leis da refração, segundo a qual:
“O plano de incidência e o plano da luz refratada coincidem, ou seja, são os mesmos.”

Segundo lei da refração

A segunda lei da refração é derivada da primeira lei e também é conhecida como lei de Snell-Descartes. Ela estabelece relação entre os ângulos de incidência com a refração e seus respectivos índices de refração.

Pode ser definida da seguinte maneira:
“Em uma refração, o produto do índice de refração do meio no qual o mesmo se propaga pelo seno do ângulo da onda luminosa faz com que a normal seja constante.”

Apesar de parecer bastante complicada quando escrita em língua natural, em linguagem matemática essa lei é representada de forma bastante simples, conforme a fórmula abaixo:

n1 sen01 = n2 sen02

É importante destacar que se o ângulo de incidência for nulo, ou seja, estiver no mesmo grau que a normal, a luz não sofrerá alterações em sua trajetória ao passar de um meio para outro, apesar de sua velocidade mudar.

Já quando a incidência é oblíqua, a luz se aproximará mais da normal no meio que tiver o maior índice de refração. Dessa maneira, o meio com menor índice de refração é aquele em que a luz se propaga mais rapidamente.