Comunicações Óticas: Natureza e Propagação da Luz

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Comunicações Óticas para 
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Aula 02
Natureza da Luz
Professora Ana Cláudia Martins de Souza
anaclaudia@ice.ufjf.br
14 de agosto de 2012
FUNDAMENTOS DA 
PROPAGAÇÃO DA LUZ
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
Objetivos da aula de hoje
• Entendimento da relação da propagação 
da luz com a natureza ondulatória
• Entendimento da propagação da luz no 
espaço livre e em meios materiais
• A aula de hoje será a base para o 
entendimento dos guias de onda (fibras 
ópticas) e alguns tipos de fontes 
luminosas (lasers)
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
ONDAS 
ELETROMAGNÉTICAS
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
Corpos Luminosos
Com luz própria
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
Corpos Iluminados
Sem luz própria
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
A luz consiste em...
 Um campo elétrico e um campo 
magnético
 Oscilando em frequências muito altas
 Da ordem de 1014 Hz
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
Mas...
 O que é um campo elétrico?
 O que é um campo magnético?
 O que são ondas?
 O que é frequência?
 E Hertz?
 O que são ondas eletromagnéticas?
Professora Ana Cláudia – Comunicações Óticas
Campo elétrico
 O campo elétrico sempre "nasce" nas 
cargas positivas (vetor) e "morre" nas 
cargas negativas;
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Campo magnético
 São detectados pela força que exercem 
sobre outros materiais magnéticos e 
cargas elétricas em movimento
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Ondas
 O som, tal como a luz ou uma emissão via 
rádio, propaga-se através de ondas
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Natureza das ondas
 Mecânicas
◦ Perturbações provocadas em meios materiais 
elásticos, transportando energia mecânica
 Ondas em cordas, em superfícies líquidas, ondas sonoras, 
etc.
 Não se propagam no vácuo.
 Eletromagnéticas
◦ Vibrações de cargas elétricas que transportam 
energia na forma de quanta – “pacotes” de 
energia
 Luz, ondas de rádio, de TV, microondas, raios X, etc.
 Propagam-se no vácuo e em alguns meios materiais.
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Tipos de ondas
 Ondas Transversais
 A direção do movimento vibratório é perpendicular 
à direção de propagação.
 Ondas Longitudinais
 A direção do movimento vibratório coincide com a 
direção de propagação.
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Classificação das ondas
 Unidimensionais
◦ A energia propaga-se linearmente, como numa 
corda.
 Bidimensionais
◦ A energia propaga-se superficialmente, como na 
superfície da água.
 Tridimensionais
◦ A energia propaga-se no espaço, como as ondas 
sonoras e as luminosas.
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Características das ondas
 Crista de onda
◦ O ponto mais alto da onda.
 Vale de onda
◦ O ponto mais baixo da onda.
 Comprimento de onda
◦ A distância entre duas cristas ou dois vales 
consecutivos ou mesmo do início ao final de 
um período.
◦ É representada no Sistema Internacional de 
Medidas (SI) pela letra grega lambda (λ)
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Características das ondas
 Período (T)
◦ Tempo necessário para a onda deslocar-se de um 
comprimento de onda, isto é, um vibração completa.
◦ No SI, é representado pela letra T, e é medido em 
segundos.
 Frequência
◦ Número de oscilações da onda, por um certo período de 
tempo. 
◦ A unidade de frequência do SI, é o hertz (Hz), que equivale 
a 1 segundo, e é representada pela letra f. 
◦ LOGO: quando dizemos que uma onda vibra a 60Hz, 
significa que ela oscila 60 vezes por segundo. 
◦ A frequência de uma onda só muda quando houver 
alterações na fonte.
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Frequência
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BAIXA FREQUÊNCIA
ALTA FREQUÊNCIA
Hertz
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Características das ondas
 Amplitude
◦ É a “altura” da onda
◦ É a distância entre o eixo da onda até a crista
◦ Quanto maior for a amplitude, maior será a 
quantidade de energia transportada.
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Características das ondas
 Velocidade (v)
◦ É determinada pela distância percorrida, sobre o 
tempo gasto. 
◦ Exemplo: 
 Velocidade da luz no vácuo = 299.792,458 km/s
 Velocidade do som no ar a 25ºC = 346,3 m/s
◦ Perguntas:
 Durante uma chuva com raios e trovões, o que chega 
primeiro: o raio ou o trovão? Porque?
 Como sabemos a quantos metros do local que você 
está o raio caiu?
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Distância do raio até você...
 Vemos a luz do raio quase instantaneamente após ter 
ocorrido a trovoada
 Já o som vai demorar mais tempo a percorrer a 
distância até nós
 O som percorre 340 metros a cada segundo que 
passa. Assim:
◦ Se ouvir o trovão 1 segundo após ver o relâmpago, então 
o foco da trovoada está a aproximadamente 340 metros 
de você;
◦ Se ouvir o trovão 2 segundos após ver o relâmpago, então 
o foco da trovoada está a aproximadamente 680 metros 
de você (2 x 340 = 680 m);
◦ E assim em diante... Basta multiplicar o tempo em 
segundos por 340.
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Cálculos...
 Frequência (f)
◦ f = 1 / T
 Período (T)
◦ T = 1 / f
 Velocidade (v)
◦ v = λ / T 
◦ v = λ * 1/T 
◦ v = λ * f
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Características das ondas
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•As partículas B e F encontram-se numa Crista. Estas partículas encontram-se na 
mesma fase de vibração (por ocuparem Cristas);
•As partículas D e H encontram-se num Vale. Estas partículas encontram-se na 
mesma fase de vibração (por ocuparem Vale);
•As partículas A, C, E e G encontram-se na Posição de Equilíbrio;
•O comprimento da onda pode ser medido de A até E, ou de B até F, ou de D até 
H, ou de C até G.
EXERCÍCIOS SOBRE 
ONDAS...
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a) Quantas vibrações completas estão representadas na figura?
b) Indique uma partícula que se encontre em uma Crista.
c) Indique uma partícula que se encontre em um Ventre.
d) Indica duas partículas que se encontrem na mesma fase de 
vibração.
e) Qual o Comprimento de Onda?
f) Qual a Amplitude de Vibração?
g) Qual o Período de Vibração, sabendo que a partícula A demora 
0,9 segundos a passar à fase G?
h) Qual a Frequência de Vibração?
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Respostas
a) Apenas uma vibração completa. No total 
estão representadas 1,5 vibrações ( 1 
vibração completa + meia vibração).
b) Partículas B ou F.
c) Partícula D.
d) Partículas B e F ou A e E ou C e G.
e) O Comprimento de Onda é de 20 cm. 
Corresponde à distância entre dois pontos 
consecutivos na mesma fase de vibração.
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Respostas (continuação)
f) A Amplitude de Vibração é 8 cm. Corresponde à 
distância entre a posição de equilíbrio e a crista 
(ou o ventre).
g) O Período de Vibração corresponde ao tempo 
necessário para que a partícula efetue uma 
vibração completa. Se A demora 0,9 segundos a 
efetuar 1, 5 vibrações, então:
1, 5 vibrações ----------------- 0,9 segundos
1 vibração --------------------- x segundos
x = (1x0,9)/1,5 = 0,6 segundos
O Período de Vibração é de 0,6 segundos.
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Respostas (continuação)
h) A Frequência de Vibração corresponde ao número de 
vibrações efetuadas por segundo. Se A demora 0,9 
segundos a efetuar 1, 5 vibrações, então:
1, 5 vibrações ----------------- 0,9 segundos
x vibrações -------------------- 1 segundo
x = (1x1,5)/0,9 = 1,67 Hz
A cada segundo que passa a partícula efetua 1,67 
vibrações.
A Frequência pode ainda ser determinada através da 
expressão:
f = 1 / T
f = 1 / 0,6 = 1,67 Hz
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MAS... O QUE SÃO AS 
ONDAS 
ELETROMAGNÉTICAS?
Professora Ana Cláudia – Comunicações ÓticasTeorias sobre a natureza da luz
 Newton fez vários estudos e elaborou 
teorias no campo da Ótica
 Ele desenvolveu um estudo bastante amplo 
sobre fenômenos luminosos
 Além disso ele defendia várias ideias:
◦ Teoria das cores dos corpos
◦ Sua concepção sobre a natureza da luz
◦ Entre outras
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História
 Na antiguidade
◦ Alguns filósofos gregos acreditavam que a luz era 
formada por pequenas partículas
◦ As quais se propagavam em linha reta e com alta 
velocidade
 Após muito tempo, em 1500
◦ Leonardo da Vinci percebeu a semelhança entre a 
reflexão da luz e o fenômeno do eco e levantou a 
hipótese de que a luz era um movimento 
ondulatório
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História
 Século XVII
◦ Duas correntes de pensamento científico: 
 A teoria corpuscular da luz, defendida por Newton
 Modelo ondulatório da luz, defendido por Christian Huyghens
 Essas duas correntes provocaram intensas 
polêmicas entre os cientistas da época
◦ Fato que marcou a história da física
 No entanto, o conhecimento sobre a verdadeira 
natureza da luz só foi descoberto no século XIX, 
após a morte dos defensores dessas teorias.
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Modelo corpuscular da luz 
 Newton tentou justificar sua teoria
◦ Luz se comportava como pequenas esferas
◦ Elas colidiam elasticamente com uma superfície 
lisa
◦ Sendo refletida de modo que o ângulo de 
incidência fosse igual ao ângulo de refração
 Assim, segundo o fenômeno da reflexão, 
Newton considerava a luz como sendo 
constituída por um conjunto de partículas 
que se refletem elasticamente sobre uma 
superfície.
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Modelo ondulatório 
 Huyghens dizia que 
◦ A luz era uma onda e ela explicava de forma 
significativa a reflexão e a refração da luz
 Qualquer onda se reflete e refrata de acordo 
com as leis da reflexão e da refração dos feixes 
luminosos
 Observações sobre esses fenômenos levaram os 
cientistas a favorecer o modelo ondulatório 
proposto por Huyghens, pois a teoria de Newton 
não se verificava na prática.
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Ondas Eletromagnéticas
 Estamos imersos em ondas 
eletromagnéticas
◦ O calor e a luz enviados pelo Sol
◦ Entre outros...
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Ondas Eletromagnéticas
 Essas radiações são tão importantes que 
deram origem a uma nova ciência, a 
Radioastronomia
 Também há fontes terrestres de radiação 
eletromagnética
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Ondas Eletromagnéticas
 Primeira previsão da existência
◦ Em 1864, pelo físico escocês, James Clerk
Maxwell
◦ Ele conseguiu provar teoricamente que uma 
perturbação eletromagnética devia se propagar 
no vácuo com uma velocidade igual à da luz
 Primeira verificação experimental
◦ Por Henrich Hertz, em 1887
◦ Hertz produziu ondas eletromagnéticas por meio 
de circuitos oscilantes e, depois, detectou-se por 
meio de outros circuitos sintonizados na mesma 
frequência. 
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Leis de Maxwell
 Um campo elétrico variável no tempo produz um 
campo magnético.
 Um campo magnético variável no tempo produz 
um campo elétrico.
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Geração da Onda Eletromagnética
 Imagine uma antena de uma estação de 
rádio:
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Ondas Eletromagnéticas
 A luz consiste em um campo elétrico e 
um campo magnético, que oscilam em 
frequências muito altas, da ordem de 
1014Hz
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Geração da Onda Eletromagnética
 Na extremidade da antena existe um fio 
ligado pelo seu centro a uma fonte 
alternada
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Geração da Onda Eletromagnética
 A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética 
depende do meio em que ela se propaga
 O campo elétrico ao redor do fio em um certo instante 
estará apontando num sentido e, depois, no sentido 
contrário
 Esse campo elétrico variável (E) irá gerar um campo 
magnético (B) , que será também variável. Por sua vez, esse 
campo magnético irá gerar um campo elétrico. E assim por 
diante .... 
 Cada campo varia e gera outro campo que, por ser variável, 
gera outro campo: e está criada a perturbação 
eletromagnética que se propaga através do espaço, 
constituída pelos dois campos em recíprocas induções.
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Geração da Onda Eletromagnética
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Geração da Onda Eletromagnética
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Geração da Onda Eletromagnética
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Geração da Onda Eletromagnética
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Sentido dos Campos 
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Espectro Eletromagnético
 Espectro: nome 
utilizado para 
descrever a faixa de 
cores que apareceu 
quando numa 
experiência a luz 
do Sol atravessou 
um prisma de vidro 
em sua trajetória
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Espectro Eletromagnético
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Decomposição da luz
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Intensidade da Luz
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Intensidade Forte
Intensidade Fraca
Cor
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Espectro eletromagnético
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CARACTERÍSTICAS 
DAS PRINCIPAIS 
RADIAÇÕES
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Ondas
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Ondas de rádio
 Denominação dada às ondas desde frequências 
muito pequenas, até 1012 Hz
 Acima dela estão os raios infravermelhos
 São geradas por osciladores eletrônicos 
instalados geralmente em um lugar alto, para 
atingir uma maior região
 O nome "ondas de rádio" inclui as microondas, as 
ondas de TV, as ondas curtas, as ondas longas e as 
próprias bandas de AM e FM.
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Ondas de rádio propriamente ditas
 Vão de 104 Hz a 107 Hz
 Têm comprimento de onda grande
 Isso permite que elas sejam refletidas pelas camadas 
ionizadas da atmosfera superior (ionosfera)
 Têm a capacidade de contornar obstáculos
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Ondas de TV
 Feitas a partir de 5x107 Hz (50 MHz)
 É costume classificar as ondas de TV em bandas de 
frequência (faixa de frequência), que são:
◦ VHF : very high frequency (54 MHz à 216 MHZ è canal 2 à 13)
◦ UHF : ultra-high frequency (470 MHz à 890 MHz è canal 14 à 83)
◦ SHF : super-high frequency
◦ EHF : extremely high frequency
◦ VHFI : veri high frequency indeed
 As ondas de TV não são refletidas pela ionosfera, de modo 
que para estas ondas serem captadas a distâncias superiores 
a 75 Km é necessário o uso de estações repetidoras.
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Ondas de TV
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Microondas
 Faixa de mais alta frequência produzida por osciladores eletrônicos
 Mais alta que elas só oscilações moleculares e atômicas
 São muito utilizadas em telecomunicações
 As ligações de telefone e programas de TV recebidos "via satélite" 
de outros países são feitas com o emprego de microondas
 Podem ser utilizadas para funcionamento de um radar
 Uma fonte emite uma radiação que atinge um objeto e volta para o 
ponto onde a onda foi emitida
 De acordo com a direção em que a radiação volta pode ser 
descoberta a localização do objeto que refletiu a onda
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Microondas
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Luz visível
 Nosso olho percebe frequências que vão de 
4,3x1014 Hz a 7x1014 Hz
 Frequência de 4,3x1014 Hz como a cor vermelha
 Frequências abaixo desta não são visíveis e são 
chamados de raios infravermelhos
 Frequência de 1014 Hz como cor violeta
 Frequências acima destatambém não são visíveis 
e recebem o nome de raios ultravioleta. 
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Luz visível
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Raio X
 Foram descobertos, em 1895, pelo físico alemão Wilhelm Röntgen
 Têm frequência alta e possuem muita energia
 São capazes de atravessar muitas substâncias embora sejam detidos por 
outras, principalmente pelo chumbo
 Esses raios são produzidos sempre que um feixe de elétrons dotados de 
energia incidem sobre um obstáculo material
 A energia cinética do feixe incidente é parcialmente transformada em 
energia eletromagnética, dando origem aos raios X
 São capazes de impressionar uma chapa fotográfica e são muito utilizados 
em radiografias
 São também bastante utilizados no tratamento de doenças como o câncer
 Têm ainda outras aplicações: na pesquisa da estrutura da matéria, em 
Química, em Mineralogia e outros ramos
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Raio X
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Raios Gama
 Frequência acima da dos raios X recebe o nome de raios 
gama (g)
 São produzidos por desintegração natural ou artificial de 
elementos radioativos
 Um material radioativo pode emitir raios g durante muito 
tempo, até atingir uma forma mais estável
 Raios g de alta energia podem ser observados também nos 
raios cósmicos que atingem a alta atmosfera terrestre em 
grande quantidade por segundo
 Os raios g podem causar graves danos às células, de modo 
que os cientistas que trabalham em laboratório de radiação 
devem desenvolver métodos especiais de detecção e 
proteção contra doses excessivas desses raios
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Raios Gama
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