Física universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2
15Reflexão e transmissão em interfaces
O ultrassonografista espalha um gel entre a sonda e a pele: sem ele o som ricochetearia na película de ar e nunca entraria no corpo. A lente de uma câmera é revestida com um filme de um quarto de comprimento de onda de espessura, e suas superfícies deixam de refletir. Uma onda de rádio encontra a ionosfera e volta; a luz encontra um espelho de prata e volta; um pulso chega ao fim de um cabo e retorna invertido ou direito, conforme o que esteja ligado ali. Toda onda, ao encontrar uma mudança de meio, divide-se numa parte refletida e outra transmitida, e uma só ideia decide as parcelas: as condições de continuidade na interface, escritas com as impedâncias dos dois meios. Este capítulo a aplica ao som, à luz entre dois dielétricos, a um plasma, a um metal e a um cabo, e dela extrai as leis da reflexão e da refração e o único ângulo em que o vidro nada reflete.
15.1 Incidência normal: a regra das impedâncias
Teorema 15.1 (Reflexão e transmissão sob incidência normal)
Uma onda plana viaja no meio 1 rumo à interface plana com o meio 2; cada meio é caracterizado por uma impedância (a razão entre as duas grandezas de campo contínuas na interface — pressão e velocidade para o som, e para a luz, tensão e corrente para uma linha). A continuidade das duas grandezas em dá, para a grandeza "do tipo força" (pressão, , ),
(Para a grandeza "do tipo escoamento" — velocidade, , corrente — muda de sinal.) Nada é refletido quando (meios casados); quase tudo quando () ou ().
Demonstração. Incidente , refletida , transmitida , todas de mesma frequência. As grandezas de escoamento associadas valem , (uma onda que vai para trás carrega ) e . Continuidade em : e ; resolva. Energias: as intensidades valem , de modo que e . ∎
Exemplo 15.2 (Som em três interfaces)
Ar () para água (): , — refletidos; um nadador quase nada ouve do mundo lá em cima, e a sonda de ultrassom precisa de seu gel. Tecido () para osso (): , . Gordura () para músculo (): , — os ecos fracos de que uma imagem é feita. Uma corda amarrada a uma parede (): para a força e para a velocidade, e o pulso volta invertido (Capítulo 6).
Proposição 15.3 (A luz sob incidência normal; revestimento antirreflexo)
Para a luz entre dois meios transparentes de índices , (a impedância de um dielétrico vale , inversamente proporcional a ), para o campo elétrico
em cada superfície ar–vidro, para a água, para o diamante. Uma camada de índice e espessura entre os meios cancela a reflexão em (revestimento antirreflexo de quarto de onda): as ondas refletidas em suas duas faces têm amplitudes iguais e fases opostas. A mesma camada com índice alto, ou uma pilha de camadas de quarto de onda alternadas, faz o contrário e constrói um espelho que reflete — os espelhos dos lasers.
Demonstração. Continuidade dos e tangenciais (sem corrente superficial): e com em cada meio, ou seja, a regra das impedâncias com . Revestimento: as duas amplitudes refletidas valem e , iguais quando ; uma ida e volta na camada acrescenta a fase , de modo que elas se cancelam (as reflexões múltiplas, pequenas, entram no tratamento exato do Exercício 15.5). ∎
15.2 Incidência oblíqua: as leis de Descartes e o ângulo de Brewster
Teorema 15.4 (Leis da reflexão e da refração)
Uma onda plana de vetor de onda encontra a interface plana entre dois meios nos quais as ondas viajam a e . As condições de continuidade devem valer em cada ponto da interface e em cada instante: as ondas refletida e transmitida devem ter a mesma frequência e o mesmo vetor de onda tangencial que a incidente. Daí, os três vetores de onda são coplanares (o plano de incidência), o ângulo de reflexão é igual ao de incidência, e
Quando e não existe real: é a reflexão total interna; o campo no meio 2 é então uma onda evanescente, , que viaja ao longo da interface e decai ao se afastar dela ao longo de , uma fração de comprimento de onda; ela não leva energia embora — reflexão total.
Demonstração. Com e a interface em , as fases das três ondas devem concordar para todo e todo : mesmo , mesmo . Se , é imaginário, : evanescência; seu vetor de Poynting segundo tem média nula. ∎
Proposição 15.5 (Ângulo de Brewster; polarização por reflexão)
Para a luz que incide num dielétrico, a amplitude refletida depende da polarização (coeficientes de Fresnel, admitidos no caso geral): para a polarização no plano de incidência (p) ela se anula no ângulo de Brewster
no qual os raios refletido e refratado são perpendiculares; a luz refletida em fica então completamente polarizada perpendicularmente ao plano de incidência (s), e parcialmente polarizada em torno dele — o brilho na água e nas estradas que os óculos de sol polarizados removem. Para o vidro () , e para a água .
Demonstração. A onda refletida é irradiada pelos dipolos do meio 2, postos a oscilar pela onda refratada segundo seu , que na polarização p fica no plano de incidência, perpendicular ao raio refratado. Um dipolo não irradia segundo seu próprio eixo (Capítulo 17); quando a direção refletida é paralela a esse eixo — ou seja, perpendicular ao raio refratado, — nada é refletido. Então e Descartes dá . A polarização s tem seu perpendicular ao plano de incidência, nunca ao longo do raio refletido: ela é sempre parcialmente refletida. ∎
15.3 Plasmas, metais e o condutor perfeito
Proposição 15.6 (Reflexão num plasma e num metal)
(i) Uma onda de sob incidência normal num plasma é totalmente refletida: o "índice" é imaginário, tem módulo , e o campo penetra como a onda evanescente do Capítulo 14. (ii) Um bom condutor tem , de módulo enorme: , e a refletância vale (Hagen–Rubens): para o cobre a , e no infravermelho distante. (iii) O condutor perfeito (, ): exatamente para , o tangencial total se anula na superfície, e as ondas incidente e refletida formam a onda estacionária
com nós de (ventres de ) em ; o campo é sustentado por uma corrente superficial , e a força de Laplace sobre ela é a pressão de radiação .
Demonstração. (i) e (ii): a regra das impedâncias com e os índices complexos do Capítulo 14; para (ii), e . (iii) Com no interior, a relação de passagem dá , logo ; some a incidente e a refletida ; sai de Faraday; o salto de na superfície vale ; a força média por unidade de área sobre a lâmina vale (Capítulo 12). ∎
Exemplo 15.7 (Espelhos, radar, fornos de micro-ondas)
Um espelho metálico reflete por esse mecanismo: o campo que chega excita uma corrente numa película de alguns nanômetros ( para a prata a ), que reirradia a onda refletida; os que faltam aquecem o metal — e é por isso que o espelho de um laser de alta potência é resfriado, e por que a parede do forno do Capítulo 14 consome da potência. Um radar vê um avião pela onda que sua fuselagem reirradia; um avião furtivo troca o metal plano por absorvedores e por formas que refletem para longe do radar. Os nós da onda estacionária, a um do outro num forno, são os pontos frios.
15.4 A extremidade de um cabo
Proposição 15.8 (Terminação de uma linha de transmissão)
Uma linha de impedância característica termina em numa carga de impedância : a onda de tensão é refletida com — nada para uma carga casada , para um curto-circuito, para uma extremidade aberta. Uma linha descasada carrega uma onda estacionária parcial cuja razão entre a tensão máxima e a mínima é a razão de onda estacionária . Enviar um pulso curto e cronometrar o eco localiza um defeito (reflectometria no domínio do tempo) e revela sua natureza pelo sinal do eco.
Demonstração. Na carga, com e (Capítulo 8); a regra das impedâncias mais uma vez. Razão de onda estacionária: varia entre e ao longo da linha. ∎
Método 15.9 (Qualquer interface)
(1) Identifique as duas grandezas contínuas através da interface e a impedância de cada meio como a razão delas numa onda progressiva. (2) Escreva incidente refletida de um lado e transmitida do outro, com frequências iguais e vetores de onda tangenciais iguais (Descartes). (3) Imponha a continuidade: duas equações, duas incógnitas e . (4) Energia: , para meios sem perdas. (5) Confira os limites: impedâncias iguais (sem reflexão), impedância infinita ou nula (, com o sinal de ) e, para camadas, as fases das reflexões sucessivas.
15.5 Exercícios
Exercício 15.1 ★
Impedâncias acústicas: ar , água , aço , tecido mole , osso . Coeficientes de reflexão (em pressão) e frações de energia refletida para ar–água, água–aço, tecido–osso e tecido–ar. Por que um peixe não ouve você, e por que um mergulhador ouve tão bem o motor do barco?
Solução
Solução de Exercício 15.1.
, : ar–água , ; água–aço , ; tecido–osso , ; tecido–ar , . Sua voz, no ar, é refletida pela superfície; o motor sacode o casco, que é de aço em contato com a água e passa de sua vibração direto para dentro.
Exercício 15.2 ★
Refletância sob incidência normal para ar–água (), ar–vidro (), ar–diamante () e vidro–água. Uma lente de câmera com superfícies ar–vidro, sem revestimento: fração da luz transmitida e fração que fica ricocheteando como imagens fantasma; e com revestimentos que deixam por superfície.
Solução
Solução de Exercício 15.2.
: , , ; vidro–água . : um terço da luz perdido, boa parte como fantasmas; com revestimento: .
Exercício 15.3 ★
Ângulo de Brewster para ar–vidro (), ar–água e água–vidro (luz que passa da água para o vidro). Polarização da luz refletida nesse ângulo; a luz transmitida fica totalmente polarizada? Sob que ângulo um fotógrafo deve olhar para a vitrine de uma loja para matar seus reflexos, e com que orientação do polarizador?
Solução
Solução de Exercício 15.3.
: , , . A luz refletida fica polarizada perpendicularmente ao plano de incidência; a luz transmitida fica apenas parcialmente polarizada (a componente s é só parcialmente refletida). Olhe para a vitrine a de sua normal, com o eixo do polarizador no plano de incidência (horizontal, para uma vitrine vertical vista de lado).
Exercício 15.4 ★
Ângulos limite de reflexão total para vidro–ar, água–ar e diamante–ar; um prisma de vidro de como espelho; profundidade da onda evanescente para vidro–ar sob incidências de e (); por que um diamante é tão brilhante?
Solução
Solução de Exercício 15.4.
: , , ; : o prisma reflete totalmente. : a , a . O pequeno ângulo limite do diamante aprisiona a luz que entra nele até ela sair pelas facetas de cima — o brilho.
Exercício 15.5 ★★
Revestimento antirreflexo. Um vidro de é revestido com fluoreto de magnésio, . (a) Índice ideal para uma única camada; espessura para . (b) Refletância residual com MgF a : a amplitude vale com , e no comprimento de onda de projeto (reflexões múltiplas incluídas): calcule . (c) a e (mesma camada): de que cor é o reflexo residual de uma lente revestida? (d) Por que as lentes de alta qualidade usam várias camadas?
Solução
Solução de Exercício 15.5.
(a) ; . (b) , , : , (contra ). (c) A : , ; a : , : o azul e o vermelho são mais refletidos que o verde — o brilho arroxeado de uma lente revestida. (d) Várias camadas achatam ao longo do visível.
Exercício 15.6 ★★
A sonda de ultrassom. A cerâmica do transdutor tem , o tecido , . (a) Energia transmitida diretamente; o resto ricocheteia dentro da cerâmica — o que isso faz com a duração do pulso? (b) Impedância e espessura de uma camada de casamento de quarto de onda (velocidade do som na camada, ). (c) Com um filme de ar de diante da sonda: energia transmitida (duas interfaces, sem ressonância) — daí o gel. (d) O gel tem : que fração passa agora pela interface gel–pele?
Solução
Solução de Exercício 15.6.
(a) ; o resto reverbera, e o pulso ressoa. (b) , . (c) , : . (d) .
Exercício 15.7 ★★
Espelho de plasma. Uma onda de encontra a ionosfera () sob incidência normal. (a) ; ; verifique e dê a fase de . (b) Profundidade de penetração. (c) Onda estacionária abaixo da camada: posição do primeiro nó de . (d) Na verdade a onda chega obliquamente a uma camada cuja densidade cresce com a altura: explique qualitativamente por que ela é curvada de volta antes de alcançar o nível em que (use Descartes com um índice decrescente), e por que uma onda de frequência maior escapa.
Solução
Solução de Exercício 15.7.
(a) : ; , , fase . (b) . (c) : primeiro nó em , abaixo da camada. (d) O índice cai com a altura, de modo que Descartes afasta o raio da vertical; ele dá meia-volta onde , ou seja, , abaixo do nível em que ; uma frequência cujo excede o máximo da camada escapa.
Exercício 15.8 ★★
Espelhos metálicos. Cobre (): refletância a , a (laser de CO) e, formalmente, a — por que a fórmula falha ali (compare )? Potência absorvida de um feixe de laser de CO de num espelho de cobre; por que esses espelhos são refrigerados a água.
Solução
Solução de Exercício 15.8.
: (), (), () — mas a : o cobre é um plasma, e não um condutor ôhmico, e reflete cerca de , com cor. absorvidos do feixe de CO: algumas centenas de kelvin por minuto num espelho pequeno, daí a água.
Exercício 15.9 ★★
Uma linha de é terminada por , , , e : coeficiente de reflexão, razão de onda estacionária, fração da potência refletida. Um transmissor de alimenta uma antena de por um cabo de : potência que chega à antena (na primeira passagem) e para onde vai o resto. Um eco volta depois de (), direito: onde está o defeito e qual é ele?
Solução
Solução de Exercício 15.9.
, , , , ; razão de onda estacionária , , , , ; refletidos , , , , . chegam à antena e voltam ao transmissor (e são em parte rerrefletidos). : ; eco direito: um circuito aberto — um cabo cortado.
Exercício 15.10 ★★★
Fresnel para a polarização s. Uma onda com perpendicular ao plano de incidência encontra a interface em . (a) Escreva os três campos e as componentes tangenciais de . (b) Imponha a continuidade dos e tangenciais e deduza . (c) Confira o limite de incidência normal e o limite rasante. (d) Para o vidro a : ; compare com (admitido) e com os da incidência normal.
Solução
Solução de Exercício 15.10.
(a) ; , de modo que a componente tangencial para as ondas incidente e transmitida e para a refletida. (b) e : o enunciado. (c) : ; : . (d) : , ; ; contra na incidência normal.
Exercício 15.11 ★★★
Reflexão total frustrada. A luz no vidro () é totalmente refletida numa face vidro–ar a ; uma segunda superfície de vidro é aproximada até a distância no ar. (a) Comprimento de decaimento evanescente para . (b) Admitindo que a intensidade transmitida através do vão vale aproximadamente , ache para e para de transmissão. (c) O que a ponta de um dedo pressionada no vidro faz com a reflexão (leitores de impressão digital)? (d) Por que este é o análogo óptico do tunelamento do Capítulo 31?
Solução
Solução de Exercício 15.11.
(a) . (b) ; . (c) As cristas tocam o vidro e deixam a luz sair para a pele: cristas escuras e vales claros no detector. (d) A onda evanescente é a função de onda que decai exponencialmente na região proibida; um segundo meio dentro do comprimento de decaimento a recolhe — tunelamento óptico.
Exercício 15.12 ★★★
Dois espelhos. Dois condutores perfeitos paralelos em e encerram uma onda estacionária. (a) Mostre que só é possível: os modos da cavidade, . (b) Para , os três primeiros modos; qual deles fica perto de ? (c) Correntes superficiais nos dois espelhos e a força sobre cada um (para dentro ou para fora?), para uma amplitude de campo no interior. (d) Os espelhos agora são de cobre: usando a resistência superficial do Capítulo 14, a potência perdida por unidade de área a com (o ventre magnético), e o tempo para a energia armazenada ( por unidade de volume, em média, ao longo do comprimento ) decair — o fator de qualidade energia armazenada / potência perdida.
Solução
Solução de Exercício 15.12.
(a) Nós de nos dois espelhos: , , . (b) , , : nenhum em — os modos tridimensionais de um forno real são muito mais densos. (c) em cada um, e a pressão afasta os espelhos um do outro. (d) , ; por espelho; energia média armazenada ; .
15.6 Problema: Revestimentos, gel e o absorvedor de radar
Problema 15.1
Problema de fim de semana — fazer interfaces desaparecerem: a lente revestida, o transdutor casado, a tela absorvedora de radar e o espelho que não há como fazer sumir
Parte I — A lente revestida. Uma objetiva zoom tem superfícies ar–vidro de índice ; luz a .
- Refletância de uma superfície sem revestimento; transmissão de toda a objetiva; fração da luz que vagueia como reflexos parasitas.
- Revestimento ideal de camada única: índice e espessura; por que não existe sólido comum com esse índice, e qual é a refletância residual com MgF ()?
- Com superfícies a cada: transmissão; a (multicamada): transmissão. Por que as objetivas antigas dão imagens "chapadas" e de baixo contraste?
- O revestimento é projetado para : mostre que a a fase da ida e volta vale e estime a refletância ali (fórmula de duas reflexões, , com , ). De que cor é o reflexo?
- Um espelho dielétrico empilha camadas de quarto de onda de e : as amplitudes refletidas nas interfaces sucessivas somam-se agora em fase; reflexão de um par (duas interfaces) e por que pares chegam a .
- Na lente revestida a onda refletida é "cancelada": para onde foi sua energia?
- Esse espelho reflete uma faixa de comprimentos de onda e transmite o resto: por quê, e de que cor ele parece por transmissão se reflete o verde?
Parte II — A sonda e o gel. Cerâmica , camada de casamento, gel, pele com , .
- Transmissão direta cerâmica–tecido em energia; e com a camada de quarto de onda de impedância ideal (valor) em .
- A camada é um quarto de onda a : transmissão a e a (use a estimativa de duas reflexões com a fase real de ida e volta): o que isso faz com a largura de banda da sonda, e por que um pulso curto (necessário para a resolução em profundidade) entra em conflito com ela?
- Um filme de ar de entre a sonda e a pele: transmissão em amplitude pelas duas interfaces (multiplique os , ignorando a ressonância); energia transmitida; em dB.
- O mesmo com gel ().
- A reverberação própria da cerâmica: o pulso ricocheteia dentro dela com por reflexão na face do tecido (e no fundo); número de idas e voltas para a amplitude cair a , e por que a cerâmica é apoiada num absorvedor.
- Eco de uma superfície óssea de a de profundidade: fração de energia que volta à sonda (reflexão no osso e duas passagens com atenuação de ); por que o osso projeta uma sombra acústica.
Parte III — O absorvedor de radar. Um radar de ilumina uma placa metálica. Para escondê-la, uma fina lâmina resistiva de resistência superficial ( por quadrado) é colocada a uma distância diante da placa, com ar entre elas. A impedância do vácuo vale .
- Refletância da placa metálica nua (condutor perfeito) e a fase de .
- Trate o vão de ar como uma linha de transmissão de impedância curto-circuitada pela placa: mostre que a impedância vista na lâmina, olhando para a placa, vale (escreva a onda estacionária a partir do curto e tome em ); para ela é infinita (um circuito aberto).
- A lâmina de resistência em paralelo com esse circuito aberto apresenta à onda que chega: coeficiente de reflexão ; conclua que uma lâmina de por quadrado a nada reflete (a tela de Salisbury). Valor de a .
- Para onde vai a energia? Confira com a potência dissipada na lâmina, por unidade de área, contra a intensidade incidente.
- A e a com a mesma tela: , a impedância total e a refletância; largura de banda do truque.
- O radar ilumina agora a tela a da normal: o que muda na fase da ida e volta pelo vão, e o que isso faz com o casamento?
- Por que os revestimentos furtivos reais usam várias camadas com perdas e superfícies moldadas, em vez de uma única tela de Salisbury?
Parte IV — O espelho que fica.
- A prata a comporta-se como um plasma (): , (módulo e fase), profundidade de penetração. Por que nenhum revestimento de quarto de onda consegue fazer um metal parar de refletir?
- Um laser verde de num espelho de prata (): potência absorvida e a taxa de elevação de temperatura de um espelho de () se nada o resfriar.
- Onda estacionária diante da prata: espaçamento dos nós de e posição do primeiro (use a fase de ); o que recebe um grão de poeira pousado num nó?
- O feixe da questão 22 tem : intensidade, amplitude do campo e a densidade superficial de corrente que o espelho deve conduzir (estimativa de condutor perfeito, ).
- Compare os três "espelhos" deste problema — o metal, o plasma e a pilha dielétrica — pelo mecanismo que devolve a onda, pela fase de e pelo que limita sua refletância.
Solução
Solução de Problema 15.1.
1. ; ; metade da luz se perde.
2. , ; nenhum sólido durável tem índice tão baixo (o MgF, , é o menor): residual de .
3. ; . Os reflexos parasitas embaçam a imagem: véu de luz, contraste baixo.
4. : — mais que a , como na ponta vermelha: um reflexo magenta.
5. Cada interface reflete ; o espaçamento de quarto de onda põe as reflexões sucessivas em fase, de modo que as amplitudes se somam em vez de se cancelar; a refletância da pilha vale para .
6. A condição de estarem em fase só vale perto do comprimento de onda de projeto (uma faixa de uns ); o resto passa: um espelho verde parece magenta por transmissão.
7. Para a onda transmitida: a interferência redistribui, com .
8. ; com : a .
9. , ; a a fase de ida e volta vale , e a , : , nas duas: o casamento só vale numa faixa em torno de , ao passo que um pulso curto precisa de faixa larga — um compromisso.
10. , : , : .
11. , : o gel apenas elimina o ar.
12. : idas e voltas — um repique longo; o apoio absorve a onda que volta e a mata.
13. no osso; de atenuação: (); o osso absorve o que não reflete: nada volta de trás dele.
14. , .
15. Curto em : , ; em : ; infinita em .
16. : para ; .
17. A lâmina vê o campo incidente inteiro: , a intensidade incidente — tudo absorvido.
18. A : , , , (); a : , mesmo módulo: . Útil em cerca de .
19. A incidência oblíqua encurta o quarto de onda efetivo () e muda a impedância de onda com o ângulo: o casamento se perde.
20. Uma tela funciona numa frequência e num ângulo; camadas graduadas com perdas e superfícies moldadas absorvem e desviam numa banda larga.
21. ; , fase ; profundidade . A onda nunca entra no metal para ser dividida em duas reflexões comparáveis: não há nada contra o que uma camada de quarto de onda possa cancelar uma reflexão de módulo um.
22. ; .
23. Nós a cada ; com : primeiro nó em ; um grão ali fica no escuro.
24. , , .
25. Metal: correntes superficiais numa profundidade de penetração, , limitado pela perda Joule dessas correntes. Plasma: penetração evanescente, com fase dependente da frequência, limitado pelas colisões. Pilha dielétrica: muitas reflexões fracas somadas em fase, numa banda, limitado pelo número de camadas e pela largura de banda.