Esse fenômeno está relacionado com a alteração da frequência da luz quando está muda de meio

O ar não é o único meio transparente que permite a propagação regular da luz. Ha também muitos outros, como a água, o vidro, a glicerina, o diamante etc. É natural que a luz se comporte de maneira diferente quando ela se propaga nesses meios, principalmente no que diz respeito à sua velocidade de propagação.

O fenômeno da refração ocorre quando a luz faz a sua passagem de um meio transparente para outro meio transparente diferente. As consequências dessa passagem são a mudança da velocidade de propagação da luz e, nas incidências oblíquas, um desvio na sua trajetória.

Essa mudança na trajetória da luz durante a refração é responsável por diversos fenômenos interessantes, como por exemplo, o fato de, quando olhamos para o fundo de uma piscina com água, esse fundo estar aparentemente mais próximo se comparado com a piscina vazia. Também podemos citar as lentes e os prismas, instrumentos que utilizam o fenômeno da refração.

Índice de refração absoluto

A velocidade da luz na água é diferente da velocidade da luz no vidro. Essa diferença de velocidade que a luz tem em diversos meios transparentes nos leva a uma grandeza física adimensional conhecida como índice de refração absoluto.

Considere dois meios transparentes, sendo que um deles é o vácuo e o outro um meio transparente qualquer. Define-se o índice de refração como sendo a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio em estudo. Observe a figura a seguir.

O índice de refração absoluto é uma grandeza adimensional, ou seja, ela não possui unidades. Isso pode ser facilmente entendido se você perceber que, no cálculo dessa grandeza, é feita a divisão de velocidade por velocidade. Quando se faz a divisão de mesmas grandezas, o resultado será uma grandeza adimensional.

Outro fato interessante que vale a pena ser mencionado que o índice de refração absoluto sempre tem um valor maior ou igual a 1, ou seja, n ≥ 1.

Isso ocorre porque a velocidade da luz no vácuo é a maior velocidade da luz possível e, consequentemente, a velocidade da luz nos outro meios serão menores. No caso em particular do ar, a mudança da velocidade da luz é muito pequena, por isso é comum se aproximar o valor do índice de refração do ar como sendo 1.

Índice de refração absoluto e cor

O índice de refração não é único para todas as cores que compõem o espectro da luz visível. Observa-se que a luz de menor frequência se propaga com maior velocidade quando comparada à luz de maior frequência. A luz vermelha é mais rápida que a luz violeta, quando elas se propagam em meios materiais.

Isso pode ser observado com um prisma. Quando a luz branca o atravessa, cada cor componente irá sofrer um desvio diferente, pois cada cor tem um índice de refração diferente. Esse fenômeno é conhecido como dispersão luminosa.

A seguir temos uma tabela que mostra o índice de refração do vidro para algumas cores.

As leis da refração

Assim como na reflexão, a refração também está fundamentada em duas leis.

Primeira lei da refração:
"O raio incidente e o raio refratado pertencem ao mesmo plano."

Para um melhor entendimento dessa lei, considere dois meios transparentes e diferentes, como por exemplo, o ar e a água. Um raio de luz que vem por um desses meios, ao passar para outro meio, não sofrerá mudanças no seu plano de propagação.

A segunda lei da refração estabelece uma relação entre os ângulos de incidência e de refração.

Segunda lei da refração:
"A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração será sempre constante para um par de meios transparentes."

Considere dois meios transparentes quaisquer, como por exemplo, os meios A e B. Um raio de luz viaja pelo meio A em direção ao meio B. No ponto de incidência desse raio de luz, na fronteira entre esses dois meios, constroem-se uma reta que faz noventa graus com a superfície de separação. Essa reta é chamada de reta normal.

Entre a reta normal e o raio incidente, temos o ângulo de incidência e entre o raio refratado e a reta normal temos o ângulo de refração. A segunda lei da refração diz que a razão entre os senos desses ângulos é constante. Observe a figura.

A segunda lei da refração está em destaque no quadro do canto superior esquerdo da figura. Note que a constante que é dada pela razão dos senos é, na verdade, a razão entre o índice de refração do meio B e o índice de refração do meio A. Se a luz estivesse vindo pelo meio B, a razão entre os índices de refração seria de A por B.

O desvio entre os raios incidente e refratado

Pelas figuras 3 e 4 é fácil observar que a luz, ao mudar de meio transparente, também sofre uma mudança na sua trajetória. Isso ocorre toda vez que temos uma incidência oblíqua. Quando a luz incide perpendicularmente à superfície que separa os dois meios, ela não sofre desvio, como se mostra na figura 1.

Esse desvio pode ser para mais próximo da reta normal, como mostram as figuras 3 e 4. Isso acontece quando a luz passa de um meio de menor índice de refração, para um meio de maior índice de refração, ou seja, ela passa para um meio mais refringente. Normalmente, os meios mais refringentes são aqueles de maior densidade.

O afastamento do raio refratado da reta normal ocorre quando temos a luz incidindo em meio de menor índice de refração quando comparado ao meio por onde ela propagava anteriormente. O meio de menor índice de refração é definido como meio menos refringente e também é identificado por ser o meio de menor densidade.

A refração da luz é um fenômeno óptico que ocorre quando a luz sofre mudança do meio de propagação, ou seja, do meio de incidência para o meio de refração, onde há variação de velocidade da propagação. Lembre-se que a luz é uma forma de onda que se propaga em determinada velocidade e essa velocidade dependerá do meio no qual ela se propaga.

Dessa maneira, considera-se a velocidade da luz no ar, diferente da água, de modo que quando passa de um meio para o outro, seja um copo de vidro com água, ocorre a refração, ou o desvio do feixe de luz.

Nesse processo, ocorrerá a diminuição da velocidade da luz e do comprimento da onda, entretanto a frequência (constante de proporcionalidade) não será alterada. Por isso, quando colocamos um objeto num copo com água, ou quando observamos uma piscina estando fora dela, temos a ilusão de que o objeto está quebrado, no caso do copo, e a piscina possuir menor profundidade.

Incidência da luz

No fenômeno da refração, ocorre a alteração da velocidade de propagação da luz por meio de um desvio da direção original, ou seja, a luz sofre um desvio angular em relação à reta normal, de modo que passa de um meio transparente para outro transparente diferente.

Assim, se a incidência da luz no meio for normal, ou seja, apresenta o ângulo de incidência igual a zero, a luz não sofrerá desvio e, portanto, seu ângulo refratado será nulo. Por outro lado, quando a incidência da luz provoca um desvio oblíquo, o raio luminoso se aproximará mais da reta normal, levando ao desvio na trajetória luminosa, ou seja, o fenômeno da refração.

Veja também: Tudo sobre a luz.

Dioptro

Na física, dioptro corresponde à interface entre dois meios homogêneos e transparentes, e segundo a superfície dióptrica (forma da superfície de separação entre os meios), os dioptros são classificados em: planos, esféricos, cilíndricos, dentre outros.

O fenômeno da refração é regido por duas leis básicas:

1. Primeira Lei da Refração: regida pelo enunciado “O raio incidente, o raio refratado e a normal, no ponto de incidência, estão contidos num mesmo plano”, ou seja, são coplanares. Em outros termos, o plano de incidência e o plano da luz refratada coincidem.
2. Segunda Lei da Refração: A Lei de Snell-Descartes é aquela em que calcula-se o valor do desvio sofrido pela refração da luz. Postula que “Os senos dos ângulos de incidência e refracção são diretamente proporcionais às velocidades da onda nos respectivos meios”, representado pela expressão: na.senθa = nb.senθb.

Índice de Refração

O índice de refração determina a relação existente entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade no meio. Note que quanto maior a frequência da luz, maior será o índice de refração; são classificados em: absoluto e relativo.

Índice de Refração Absoluto

Representado pela letra n, o índice de refração absoluto corresponde a razão entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz no meio considerado (v), na medida que, quanto maior for o índice de refração de um meio, menor será a velocidade de propagação da luz nesse meio. Observe que o índice de refração absoluto sempre tem um valor maior ou igual a 1 (n ≥ 1), sendo calculado pela seguinte expressão:

Donde:

n: índice de refração (adimensional, não há unidade de medida)

c: velocidade da luz no vácuo (c = 3.108 m/s)

v: velocidade da luz no meio (m/s)

Índice de Refração Relativo

O índice de refração relativo calcula o índice de um meio para o outro, expresso pela seguinte fórmula:

Onde,

n: índice de refração (adimensional, não há unidade de medida)

v: velocidade da luz no meio (m/s)

Exercício Resolvido

Calcule o índice de refração do vidro, se a luz que atravessa a placa possui velocidade 2.108m/s. Considere o valor da velocidade da luz no vácuo: 3.108 m/s

Para calcular o índice de refração de determinado meio, utiliza-se a expressão: n = c/v, assim, basta substituir os valores no qual (c) representa a velocidade da luz no vácuo, e (v) a velocidade no meio:

n = 3.108/2.108

n = 1,5

Logo, o índice de refração do vidro é 1,5.

Para saber mais sobre o fenômeno de reflexão: Reflexão da Luz.