FUNCIONAMENTO

Agora que já conhecemos um pouco sobre sua fabricação, vamos verificar o funcionamento desta fibras. Lembramos que você pode colaborar com o desenvolvimento desta página.

De acordo com Craig (2012), fibras ópticas são fios longos e finos de vidro muito puro, com o diâmetro aproximado de um fio de cabelo humano, dispostas em feixes chamados cabos ópticos e usadas para transmitir sinais de luz ao longo de grandes distâncias.

As fibras ópticas são importantes em comunicações porque oferecem uma alternativa prática aos fios de cobre e aos cabos. São menores, mais baratas, finas e fáceis de manusear, facilitando o transporte de mensagens telefônicas simultâneas entre as centrais telefônicas. Os sinais são transportados codificados nas modulações produzidas na luz laser. Diferente da eletricidade, a luz é indiferente à temperatura e às flutuações nos campos magnéticos circundantes, de modo que o sinal é mais nítido.

Os fenômenos físicos envolvidos na fibra óptica estão relacionados com: a refração e a reflexão total.

Para podermos entender melhor o que está acontecendo no interior de uma fibra óptica, observe a figura abaixo:

(Fonte: http://www.infoescola.com/fisica/fibra-optica/)

Refração é o fenômeno que ocorre com a luz quando ela passar de um meio homogêneo e transparente para outro meio também homogêneo e transparente. Como exemplificado no esquema da figura, a luz passa do ar para o vidro. Nessa mudança de meio, podem ocorrer mudanças de velocidade de propagação e na direção de propagação da luz.

A reflexão interna total ocorre em vidro circundado por ar, pois a rapidez de propagação da luz no vidro é menor que  do ar. O ângulo crítico para o vidro é cerca de 43 graus, dependendo do tipo de vidro. Assim, a luz interior ao vidro que incide nele formando ângulos superiores a 43 graus com a superfície, é totalmente refletida internamente. Nenhuma luz escapa além desse valor de ângulo, toda ela é refletida para o interior do vidro.

 

(Fonte: http://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/reflexao-total-angulos-limite-miragens-e-fibra-optica.htm)

No interior da fibra, a luz passa por uma sucessão de reflexões internas totais no comprimento da fibra até sua extremidade superior.

(Fonte: http://tecno.elespectador.com/index.php/tag/Fibra_%C3%93ptica)

Quando um raio de luz passa de um meio para outro, a sua velocidade muda, sofrendo, em consequência, um desvio na sua direção de propagação, visto anteriormente. Trazemos essa rede de conceitos para chegar ao formalismo matemático:

(Fonte: http://www.edicoessm.com.br/backend/public/recursos/Reproducao%20SP%20Fisica%202%20unidade%204%20capitulo%2012.pdf)

Índice de refração:

Note que a velocidade da luz em cada meio está associada ao índice de refração absoluto do meio e pode ser calculada através de uma simples relação matemática: 

Onde:

c é a velocidade da luz no vácuo é aproximadamente 300.000km/h.

v é a velocidade de propagação da luz no material.

O índice de refração (n) é também chamado de refringência. Diz-se que mais refringente é o meio com maior índice de refração; menos refringente, o meio com menor índice de refração.

A tabela a seguir nos fornece os índices de refração de alguns materiais:

Aplicação

(UF–CE) O índice de refração da água é 4/3 e o do vidro é 3/2. Qual é a razão entre a velocidade da luz na água e no vidro? 

A lei de Snell-Descartes

Ao incidir na superfície de separação dos meios 1 e 2, parte do feixe de luz é refletida e parte é refratada. 

O produto do seno do ângulo de incidência pelo valor do índice de refração do meio onde se propaga o raio incidente (n₁) é igual ao produto do seno do ângulo de refração pelo índice de refração do meio onde se propaga o raio refratado (n₂).

n₁ . sen i = n₂ . sen r

Aplicação

Um raio de luz propaga-se no ar (n_ar = 1,0) e incide em uma placa de vidro (n_vidro=4), sofrendo refração. O ângulo de incidência é 45º. Calcule o ângulo de refração.

Solução:

n₁ = sen i = n₂ . sen r

1 . sen 45º = 1,4 . sen r 0,7 = 1,4 . sen r

sen r = 0,5 r = 30º

Referências:

CRAIG, Freudenrich, Ph.D.. “HowStuffWorks – Como funcionam as fibras ópticas”. Publicado em 06 de março de 2001. Disponível em: <http://informatica.hsw.uol.com.br/fibras-opticas.htm>. Acesso em: 25 nov. 2012.

TELECO. Inteligencia em Telecomunicação. Tutoriais Redes Ópticas. Disponível em: <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialfoII/pagina_1.asp>. Acesso em: 14 nov, 2012.

HEWITT, Paul G.; RICCI, Trieste F.; GRAVINA, Maria H. Física Conceitual. 9 ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.