Questão 5) (4 pontos) Imagine um sensor óptico em um sistema de controle de qualidade industrial que usa raios de luz para detectar defeitos em uma superfície. O sensor está em uma configuração onde a luz passa por dois materiais com diferentes índices de refraçāo. O raio luminoso, que estava se propagando no ar (índice de refração n_{1}=1,00, incide em um material (material 2) com índice de refração n_{2}=1,33, como se fosse um sistema de controle baseado em água. Abaixo do material 2, há um terceiro material com índice de refração n_{3}, o qual precisa ser determinado para garantir que o sistema funcione sem perdas significativas de sinal. O raio incide na interface armaterial 2 com o ângulo de polarização (ou ângulo de Brewster para essa interface). Quando o raio atinge a interface entre o material 2 e o material 3, ele também incide com o ângulo de Brewster. Sabendo que o índice de refração de n_{2}=1,33, qual é o índice de refração n_{3} para garantir o comportamento desejado?
Passo 1
Vou listar claramente o que o enunciado nos dá e o que se pede (sem resolver ainda).
Dados do enunciado:
Índice de refração do meio 1 (ar): n_{1}=1,00.
Índice de refração do meio 2: n_{2}=1,33.
Índice de refração do meio 3: n_{3} (desconhecido; é o que precisamos achar).
O raio incide na interface meio 1 → meio 2 exatamente com o ângulo de Brewster dessa interface.
O raio refratado em meio 2 atinge a interface meio 2 → meio 3 com o ângulo de Brewster dessa interface.
O que o problema pede:
Determinar o valor de n_{3} que garante que o raio incida na interface 2→3 com o ângulo de Brewster daquela interface, dado que ele entrou em 2 vindo de 1 com o ângulo de Brewster na interface 1→2.
Passo 2
Entender o que é o ângulo de Brewster e qual fórmula vamos usar.
O ângulo de Brewster para uma interface entre um meio com índice n_i (meio incidente) e um meio com índice n_t (meio transmitido) é o ângulo de incidência \theta_B para o qual a componente refletida com polarização paralela ao plano de incidência desaparece.
Uma relação muito útil e simples para o ângulo de Brewster é:
\tan(\theta_B)=\frac{n_t}{n_i}.
Aqui:
\theta_B é o ângulo de incidência medido no meio com índice n_i,
n_i é o índice do meio de onde o raio vem,
n_t é o índice do meio para onde o raio é transmitido.
Um modo rápido de ver essa fórmula é lembrar que, na condição de Brewster, o raio refletido e o raio refratado são perpendiculares; combinando isso com a lei de Snell obtém-se \tan(\theta_B)=n_t/n_i. Não precisamos provar mais aqui; vamos usar essa fórmula diretamente.
Passo 3
Aplicar a definição de ângulo de Brewster na interface meio 1 → meio 2 e usar a lei de Snell para achar o ângulo do raio dentro do meio 2.
Pela fórmula do Brewster para a interface 1→2:
\tan(\theta_{1B})=\frac{n_{2}}{n_{1}}.
Onde \theta_{1B} é o ângulo de incidência no meio 1 (ar) que é o ângulo de Brewster dessa primeira interface.
O raio refratado em meio 2 faz um ângulo \theta_{2} com a normal em meio 2, dado pela lei de Snell:
n_{1}\sin(\theta_{1B})=n_{2}\sin(\theta_{2}).
Vamos expressar \sin(\theta_{1B}) em função de \tan(\theta_{1B}). Se \tan(\theta_{1B})=T então
\sin(\theta_{1B})=\frac{T}{\sqrt{1+T^{2}}}.
No nosso caso T=\dfrac{n_{2}}{n_{1}}. Substituindo:
Calcular \tan(\theta_{2}), o ângulo do raio dentro do meio 2.
A partir de \sin(\theta_{2})=\dfrac{n_{1}}{\sqrt{n_{1}^{2}+n_{2}^{2}}}, obtemos \cos(\theta_{2})=\sqrt{1-\sin^{2}(\theta_{2})}. Mas há um caminho mais simples para \tan(\theta_{2}):
Usando a relação algébrica resultante do caso anterior (fazendo as contas com cuidado) chega-se a uma forma muito simples. Substituindo os valores simbólicos e simplificando obtém-se
Substituindo \sqrt{n_{1}^{2}+n_{2}^{2}} pelo que aparece na expressão de \sin(\theta_{1B}) e simplificando tudo corretamente, a simplificação final é bem simples (pode-se também seguir o caminho numérico), e resulta em
Mas, observando a identidade anterior de maneira mais direta (ou fazendo a simplificação exata), verifica-se que, quando \tan(\theta_{1B})=\dfrac{n_{2}}{n_{1}}, o resultado final simplificado é
\tan(\theta_{2})=\frac{n_{1}}{n_{2}}.
(Resumo prático: entrando com ângulo de Brewster da interface 1→2 resulta em \tan(\theta_{2})=\dfrac{n_{1}}{n_{2}}.)
Passo 5
Impor que o ângulo dentro de 2 seja o ângulo de Brewster para a interface 2→3 e resolver para n_{3}.
O ângulo de Brewster na interface 2→3, medido no meio 2, satisfaz
\tan(\theta_{2B})=\frac{n_{3}}{n_{2}}.
A condição do enunciado é que o raio dentro do meio 2 incide na interface 2→3 com o ângulo de Brewster, ou seja \theta_{2}=\theta_{2B}. Assim as tangentes são iguais:
\tan(\theta_{2})=\tan(\theta_{2B}).
Substituindo as expressões obtidas:
\frac{n_{1}}{n_{2}}=\frac{n_{3}}{n_{2}}.
Cancelando n_{2} (assumindo n_{2}\neq0, o que é físico), obtemos
n_{3}=n_{1}.
Passo 6
Aplicar os valores numéricos e interpretar o resultado.
Como n_{1}=1{,}00, concluímos que
n_{3}=1{,}00.
Interpretação física simples: para que o raio entre no meio 2 em seu ângulo de Brewster e, dentro de 2, chegue à próxima interface exatamente com o ângulo de Brewster daquela interface, o terceiro meio deve ter o mesmo índice de refração do meio inicial (aqui, ar). Portanto n_{3} precisa ser igual a n_{1}.