Physics · Livro 4 · Bachelor Year 2

Física universitária — 2.º ano

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.

Uma lente de câmera com múltiplas camadas: os reflexos púrpura e verde ténues são o que resta dos quatro por cento que cada superfície de vidro nua devolveria.
Uma lente de câmera com múltiplas camadas: os reflexos púrpura e verde ténues são o que resta dos quatro por cento que cada superfície de vidro nua devolveria.

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 x=0x = 0 com o meio 2; cada meio é caracterizado por uma impedância ZiZ_i (a razão entre as duas grandezas de campo contínuas na interface — pressão e velocidade para o som, EE e H=B/μ0H = B/\mu_0 para a luz, tensão e corrente para uma linha). A continuidade das duas grandezas em x=0x = 0 dá, para a grandeza "do tipo força" (pressão, EE, vv),

r=Z2Z1Z2+Z1,t=2Z2Z2+Z1,R=r2,T=4Z1Z2(Z1+Z2)2,R+T=1.r = \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} , \qquad t = \frac{2Z_2}{Z_2 + Z_1} , \qquad R = r^2 , \quad T = \frac{4Z_1Z_2}{(Z_1 + Z_2)^2} , \quad R + T = 1 .

(Para a grandeza "do tipo escoamento" — velocidade, HH, corrente — rr muda de sinal.) Nada é refletido quando Z1=Z2Z_1 = Z_2 (meios casados); quase tudo quando Z2Z1Z_2 \gg Z_1 (r+1r \to +1) ou Z2Z1Z_2 \ll Z_1 (r1r \to -1).

Demonstração. Incidente pi=Acos(ωtk1x)p_i = A\cos(\omega t - k_1x), refletida pr=rAcos(ωt+k1x)p_r = rA\cos(\omega t + k_1x), transmitida pt=tAcos(ωtk2x)p_t = tA\cos(\omega t - k_2x), todas de mesma frequência. As grandezas de escoamento associadas valem p/Z1p/Z_1, pr/Z1-p_r/Z_1 (uma onda que vai para trás carrega v=p/Zv = -p/Z) e pt/Z2p_t/Z_2. Continuidade em x=0x = 0: 1+r=t1 + r = t e (1r)/Z1=t/Z2(1 - r)/Z_1 = t/Z_2; resolva. Energias: as intensidades valem p2/Zp^2/Z, de modo que R=r2R = r^2 e T=t2Z1/Z2T = t^2Z_1/Z_2.

Exemplo 15.2 (Som em três interfaces)

Ar (Z=410kgm2s1Z = 410\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}) para água (1.5×1061.5 \times 10^6): r=0.9995r = 0.9995, T=1.1×103T = 1.1 \times 10^{-3}99.9%99.9\% refletidos; um nadador quase nada ouve do mundo lá em cima, e a sonda de ultrassom precisa de seu gel. Tecido (1.6×1061.6 \times 10^6) para osso (7×1067 \times 10^6): r=0.63r = 0.63, T=0.6T = 0.6. Gordura (1.38×1061.38 \times 10^6) para músculo (1.70×1061.70 \times 10^6): r=0.10r = 0.10, R=1%R = 1\% — os ecos fracos de que uma imagem é feita. Uma corda amarrada a uma parede (Z2Z_2 \to \infty): r=+1r = +1 para a força e 1-1 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 n1n_1, n2n_2 (a impedância de um dielétrico vale Z=μ0/ε0/nZ = \sqrt{\mu_0/\varepsilon_0}/n, inversamente proporcional a nn), para o campo elétrico

r=n1n2n1+n2,R=(n1n2n1+n2)2:r = \frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2} , \qquad R = \Bigl(\frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2}\Bigr)^2 :

4%4\% em cada superfície ar–vidro, 2%2\% para a água, 17%17\% para o diamante. Uma camada de índice n=n1n2n = \sqrt{n_1n_2} e espessura λ/4n\lambda/4n entre os meios cancela a reflexão em λ\lambda (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 99.99%99.99\% — os espelhos dos lasers.

Demonstração. Continuidade dos E\vect E e B\vect B tangenciais (sem corrente superficial): Ei+Er=EtE_i + E_r = E_t e BiBr=BtB_i - B_r = B_t com B=nE/cB = nE/c em cada meio, ou seja, a regra das impedâncias com Z1/nZ \propto 1/n. Revestimento: as duas amplitudes refletidas valem (n1n)/(n1+n)(n_1 - n)/(n_1 + n) e (nn2)/(n+n2)(n - n_2)/(n + n_2), iguais quando n2=n1n2n^2 = n_1n_2; uma ida e volta na camada acrescenta a fase 2×2πn(λ/4n)/λ=π2\times2\pi n(\lambda/4n)/\lambda = \pi, de modo que elas se cancelam (as reflexões múltiplas, pequenas, entram no tratamento exato do Exercício 15.5).

À esquerda: incidência normal numa interface — as amplitudes seguem da continuidade das duas grandezas de campo, através das impedâncias. À direita: a camada antirreflexo de quarto de onda — as duas ondas refletidas se cancelam.
À esquerda: incidência normal numa interface — as amplitudes seguem da continuidade das duas grandezas de campo, através das impedâncias. À direita: a camada antirreflexo de quarto de onda — as duas ondas refletidas se cancelam.

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 ki\vect k_i encontra a interface plana entre dois meios nos quais as ondas viajam a v1v_1 e v2v_2. 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

sinθ1v1=sinθ2v2(n1sinθ1=n2sinθ2 para a luz).\frac{\sin\theta_1}{v_1} = \frac{\sin\theta_2}{v_2} \qquad (n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2 \text{ para a luz}) .

Quando v2>v1v_2 > v_1 e sinθ1>v1/v2\sin\theta_1 > v_1/v_2 não existe θ2\theta_2 real: é a reflexão total interna; o campo no meio 2 é então uma onda evanescente, ex/ei(ωtkty)\propto\eu^{-x/\ell}\eu^{\iu(\omega t - k_ty)}, que viaja ao longo da interface e decai ao se afastar dela ao longo de =λ2/2πsin2θ1(v2/v1)21\ell = \lambda_2/2\pi \sqrt{\sin^2\theta_1(v_2/v_1)^2 - 1}, uma fração de comprimento de onda; ela não leva energia embora — reflexão total.

Demonstração. Com k=(kx,ky,0)\vect k = (k_x, k_y, 0) e a interface em x=0x = 0, as fases ωtkyy\omega t - k_yy das três ondas devem concordar para todo yy e todo tt: mesmo ω\omega, mesmo ky=(ω/v1)sinθ1=(ω/v1)sinθr=(ω/v2)sinθ2k_y = (\omega/v_1)\sin\theta_1 = (\omega/v_1)\sin\theta_r = (\omega/v_2)\sin \theta_2. Se (ω/v2)2ky2<0(\omega/v_2)^2 - k_y^2 < 0, k2xk_{2x} é imaginário, k2x=i/k_{2x} = -\iu/\ell: evanescência; seu vetor de Poynting segundo xx 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

tanθB=n2n1,\tan\theta_B = \frac{n_2}{n_1} ,

no qual os raios refletido e refratado são perpendiculares; a luz refletida em θB\theta_B 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 (n=1.5n = 1.5) θB=56\theta_B = 56{}^{\circ}, e para a água 5353{}^{\circ}.

Demonstração. A onda refletida é irradiada pelos dipolos do meio 2, postos a oscilar pela onda refratada segundo seu E\vect E, 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, θ1+θ2=π/2\theta_1 + \theta_2 = \pi/2 — nada é refletido. Então sinθ2=cosθ1\sin\theta_2 = \cos\theta_1 e Descartes dá tanθ1=n2/n1\tan\theta_1 = n_2/n_1. A polarização s tem seu E\vect E perpendicular ao plano de incidência, nunca ao longo do raio refletido: ela é sempre parcialmente refletida.

À esquerda: o casamento de fases ao longo da interface dá as leis da reflexão e da refração. À direita: no ângulo de Brewster os dipolos do segundo meio, excitados segundo o campo refratado de polarização p, teriam de irradiar segundo seu próprio eixo para alimentar o raio refletido — eles não podem, e só a polarização s é refletida.
À esquerda: o casamento de fases ao longo da interface dá as leis da reflexão e da refração. À direita: no ângulo de Brewster os dipolos do segundo meio, excitados segundo o campo refratado de polarização p, teriam de irradiar segundo seu próprio eixo para alimentar o raio refletido — eles não podem, e só a polarização s é refletida.
À esquerda: a refletância de uma superfície ar–vidro (n = 1.5) para as duas polarizações — R_p se anula no ângulo de Brewster e ambas sobem a 1 na incidência rasante. À direita: além do ângulo limite o campo transmitido é evanescente, cola-se à interface e morre dentro de um comprimento de onda. À esquerda: a refletância de uma superfície ar–vidro (n = 1.5) para as duas polarizações — R_p se anula no ângulo de Brewster e ambas sobem a 1 na incidência rasante. À direita: além do ângulo limite o campo transmitido é evanescente, cola-se à interface e morre dentro de um comprimento de onda.
À esquerda: a refletância de uma superfície ar–vidro (n=1.5n = 1.5) para as duas polarizações — RpR_p se anula no ângulo de Brewster e ambas sobem a 11 na incidência rasante. À direita: além do ângulo limite o campo transmitido é evanescente, cola-se à interface e morre dentro de um comprimento de onda.

15.3 Plasmas, metais e o condutor perfeito

Proposição 15.6 (Reflexão num plasma e num metal)

(i) Uma onda de ω<ωp\omega < \omega_p sob incidência normal num plasma é totalmente refletida: o "índice" n=iωp2/ω21\underline n = -\iu\sqrt{\omega_p^2/\omega^2 - 1} é imaginário, r=(1n)/(1+n)r = (1 - \underline n)/(1 + \underline n) tem módulo 11, e o campo penetra como a onda evanescente eκx\eu^{-\kappa x} do Capítulo 14. (ii) Um bom condutor tem n=(1i)c/ωδ\underline n = (1 - \iu)c/\omega\delta, de módulo enorme: r1r \approx -1, e a refletância vale R12ωδ/c=18ε0ω/γR \approx 1 - 2\omega\delta/c = 1 - \sqrt{8\varepsilon_0\omega/\gamma} (Hagen–Rubens): 0.999990.99999 para o cobre a 10GHz10\,\mathrm{GHz}, e 0.990.99 no infravermelho distante. (iii) O condutor perfeito (γ\gamma \to \infty, δ0\delta \to 0): r=1r = -1 exatamente para E\vect E, o E\vect E tangencial total se anula na superfície, e as ondas incidente e refletida formam a onda estacionária

E=2E0sinkxsinωtey,B=2E0ccoskxcosωtez,\vect E = -2E_0\sin kx\sin\omega t\,\vect e_y , \qquad \vect B = 2\frac{E_0}c\cos kx\cos\omega t\,\vect e_z ,

com nós de E\vect E (ventres de B\vect B) em x=0,λ/2,x = 0, -\lambda/2, \dots; o campo é sustentado por uma corrente superficial js=nB/μ0=(2E0/μ0c)cosωtey\vect j_s = \vect n\wedge\vect B/ \mu_0 = (2E_0/\mu_0c)\cos\omega t\,\vect e_y, e a força de Laplace sobre ela é a pressão de radiação 2I/c2I/c.

Demonstração. (i) e (ii): a regra das impedâncias com Z1/nZ \propto 1/\underline n e os índices complexos do Capítulo 14; para (ii), r=(1n)/(1+n)1+2/nr = (1 - \underline n)/(1 + \underline n) \approx -1 + 2/\underline n e R=r214Re(1/n)=12ωδ/cR = |r|^2 \approx 1 - 4\operatorname{Re}(1/ \underline n) = 1 - 2\omega\delta/c. (iii) Com E=0\vect E = \vect 0 no interior, a relação de passagem E2t=E1t\vect E_{2t} = \vect E_{1t}Etot(0)=0E_{\text{tot}}(0) = 0, logo r=1r = -1; some a incidente E0cos(ωtkx)E_0\cos(\omega t - kx) e a refletida E0cos(ωt+kx)-E_0\cos(\omega t + kx); B\vect B sai de Faraday; o salto de B\vect B na superfície vale μ0jsn\mu_0\vect j_s \wedge\vect n; a força média por unidade de área 12jsB\tfrac12\langle j_sB\rangle sobre a lâmina vale ε0E02=2I/c\varepsilon_0E_0^2 = 2I/c (Capítulo 12).

Reflexão num condutor perfeito: o campo elétrico tem um nó na superfície, e os nós da onda estacionária se repetem a cada meio comprimento de onda; o campo magnético tem ali um ventre, sustentado pela corrente superficial.
Reflexão num condutor perfeito: o campo elétrico tem um nó na superfície, e os nós da onda estacionária se repetem a cada meio comprimento de onda; o campo magnético tem ali um ventre, sustentado pela corrente superficial.

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 (23nm23\,\mathrm{nm} para a prata a 500nm500\,\mathrm{nm}), que reirradia a onda refletida; os 5%5\% 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 6%6\% 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 λ/2=6cm\lambda/2 = 6\,\mathrm{cm} 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 ZcZ_c termina em x=x = \ell numa carga de impedância ZL\underline Z_L: a onda de tensão é refletida com r=(ZLZc)/(ZL+Zc)\underline r = (\underline Z_L - Z_c)/(\underline Z_L + Z_c) — nada para uma carga casada ZL=ZcZ_L = Z_c, r=1r = -1 para um curto-circuito, r=+1r = +1 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 (1+r)/(1r)(1 + |r|)/(1 - |r|). 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, v=ZLiv = Z_Li com v=vi+vrv = v_i + v_r e i=(vivr)/Zci = (v_i - v_r)/Z_c (Capítulo 8); a regra das impedâncias mais uma vez. Razão de onda estacionária: v|v| varia entre vi(1+r)|v_i|(1 + |r|) e vi(1r)|v_i|(1 - |r|) 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 rr e tt. (4) Energia: R=r2R = |r|^2, T=1RT = 1 - R para meios sem perdas. (5) Confira os limites: impedâncias iguais (sem reflexão), impedância infinita ou nula (r=1|r| = 1, com o sinal de rr) e, para camadas, as fases das reflexões sucessivas.

15.5 Exercícios

Exercício 15.1

Impedâncias acústicas: ar 410kgm2s1410\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, água 1.5×106kgm2s11.5 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, aço 4.0×107kgm2s14.0 \times 10^{7}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, tecido mole 1.6×106kgm2s11.6 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, osso 7×106kgm2s17 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}. 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.

r=(Z2Z1)/(Z2+Z1)r = (Z_2 - Z_1)/(Z_2 + Z_1), R=r2R = r^2: ar–água 0.99950.9995, 99.9%99.9\%; água–aço 0.930.93, 86%86\%; tecido–osso 0.630.63, 40%40\%; tecido–ar 0.9995-0.9995, 99.9%99.9\%. Sua voz, no ar, é refletida pela superfície; o motor sacode o casco, que é de aço em contato com a água e passa 14%14\% de sua vibração direto para dentro.

Exercício 15.2

Refletância sob incidência normal para ar–água (n=1.33n = 1.33), ar–vidro (1.521.52), ar–diamante (2.422.42) e vidro–água. Uma lente de câmera com 1010 superfícies ar–vidro, sem revestimento: fração da luz transmitida e fração que fica ricocheteando como imagens fantasma; e com revestimentos que deixam 0.5%0.5\% por superfície.

Solução

Solução de Exercício 15.2.

R=((n1)/(n+1))2R = ((n - 1)/(n + 1))^2: 2.0%2.0\%, 4.3%4.3\%, 17%17\%; vidro–água 0.44%0.44\%. 0.95710=0.640.957^{10} = 0.64: um terço da luz perdido, boa parte como fantasmas; com revestimento: 0.99510=0.950.995^{10} = 0.95.

Exercício 15.3

Ângulo de Brewster para ar–vidro (1.521.52), 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.

tanθB=n2/n1\tan\theta_B = n_2/n_1: 56.756.7{}^{\circ}, 53.153.1{}^{\circ}, 48.848.8{}^{\circ}. 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 5757{}^{\circ} 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 4545{}^{\circ} como espelho; profundidade da onda evanescente para vidro–ar sob incidências de 4545{}^{\circ} e 6060{}^{\circ} (λ=600nm\lambda = 600\,\mathrm{nm}); por que um diamante é tão brilhante?

Solução

Solução de Exercício 15.4.

arcsin(1/n)\arcsin(1/n): 41.141.1{}^{\circ}, 48.848.8{}^{\circ}, 24.424.4{}^{\circ}; 45>4145^\circ > 41^\circ: o prisma reflete totalmente. =λ/2πn2sin2θ1\ell = \lambda/2\pi\sqrt{n^2\sin^2\theta - 1}: 270nm270\,\mathrm{nm} a 4545{}^{\circ}, 115nm115\,\mathrm{nm} a 6060{}^{\circ}. 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 n2=1.52n_2 = 1.52 é revestido com fluoreto de magnésio, n=1.38n = 1.38. (a) Índice ideal para uma única camada; espessura para 550nm550\,\mathrm{nm}. (b) Refletância residual com MgF2_2 a 550nm550\,\mathrm{nm}: a amplitude vale r=(r1+r2eiφ)/(1+r1r2eiφ)r = (r_1 + r_2\eu^{-\iu\varphi})/(1 + r_1r_2 \eu^{-\iu\varphi}) com r1=(n1n)/(n1+n)r_1 = (n_1 - n)/(n_1 + n), r2=(nn2)/(n+n2)r_2 = (n - n_2)/(n + n_2) e φ=π\varphi = \pi no comprimento de onda de projeto (reflexões múltiplas incluídas): calcule RR. (c) RR a 400nm400\,\mathrm{nm} e 700nm700\,\mathrm{nm} (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) 1.52=1.23\sqrt{1.52} = 1.23; e=550/4×1.38=100nme = 550/4 \times 1.38 = 100\,\mathrm{nm}. (b) r1=0.160r_1 = -0.160, r2=0.048r_2 = -0.048, φ=π\varphi = \pi: r=(r1r2)/(1r1r2)=0.112r = (r_1 - r_2)/(1 - r_1r_2) = -0.112, R=1.3%R = 1.3\% (contra 4.3%4.3\%). (c) A 400nm400\,\mathrm{nm}: φ=1.375π\varphi = 1.375\pi, R2.2%R \approx 2.2\%; a 700nm700\,\mathrm{nm}: φ=0.79π\varphi = 0.79\pi, R1.6%R \approx 1.6\%: o azul e o vermelho são mais refletidos que o verde — o brilho arroxeado de uma lente revestida. (d) Várias camadas achatam RR ao longo do visível.

Exercício 15.6 ★★

A sonda de ultrassom. A cerâmica do transdutor tem Z1=30×106kgm2s1Z_1 = 30 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, o tecido Z2=1.6×106kgm2s1Z_2 = 1.6 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, f=5MHzf = 5\,\mathrm{MHz}. (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, 3000m/s3000\,\mathrm{m}/\mathrm{s}). (c) Com um filme de ar de 10µm10\,\text{µ}\mathrm{m} diante da sonda: energia transmitida (duas interfaces, sem ressonância) — daí o gel. (d) O gel tem ZZ2Z \approx Z_2: que fração passa agora pela interface gel–pele?

Solução

Solução de Exercício 15.6.

(a) T=4×30×1.6/31.62=19%T = 4 \times 30 \times 1.6/31.6^2 = 19\%; o resto reverbera, e o pulso ressoa. (b) Z=Z1Z2=6.9×106kgm2s1Z = \sqrt{Z_1Z_2} = 6.9 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, e=v/4f=0.15mme = v/4f = 0.15\,\mathrm{mm}. (c) T1=4×30×106×410/(30×106)2=5.5×105T_1 = 4 \times 30 \times 10^6 \times 410/(30 \times 10^6)^2 = 5.5 \times 10^{-5}, T2=4×1.6×106×410/(1.6×106)2=1.0×103T_2 = 4 \times 1.6 \times 10^6 \times 410/(1.6 \times 10^6)^2 = 1.0 \times 10^{-3}: 5.6×1085.6 \times 10^{-8}. (d) 4×1.5×1.6/3.12=0.9994 \times 1.5 \times 1.6/ 3.1^2 = 0.999.

Exercício 15.7 ★★

Espelho de plasma. Uma onda de 3MHz3\,\mathrm{MHz} encontra a ionosfera (ne=1×1012m3n_e = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3}) sob incidência normal. (a) n\underline n; rr; verifique r=1|r| = 1 e dê a fase de rr. (b) Profundidade de penetração. (c) Onda estacionária abaixo da camada: posição do primeiro nó de E\vect E. (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 ω=ωp\omega = \omega_p (use Descartes com um índice decrescente), e por que uma onda de frequência maior escapa.

Solução

Solução de Exercício 15.7.

(a) ωp/ω=3\omega_p/\omega = 3: n=i8=2.83i\underline n = -\iu\sqrt8 = -2.83\iu; r=(1+2.83i)/(12.83i)r = (1 + 2.83\iu)/(1 - 2.83 \iu), r=1|r| = 1, fase 2arctan2.83=1412\arctan2.83 = 141{}^{\circ}. (b) c/ωp2ω2=5.6mc/\sqrt{\omega_p^2 - \omega^2} = 5.6\,\mathrm{m}. (c) Ecos(kx+φ/2)E \propto \cos(kx + \varphi/2): primeiro nó em kx=(π+φ)/2kx = -(\pi + \varphi)/2, x45mx \approx -45\,\mathrm{m} abaixo da camada. (d) O índice cai com a altura, de modo que Descartes afasta o raio da vertical; ele dá meia-volta onde n(z)=sinθ0n(z) = \sin\theta_0, ou seja, ωp2=ω2cos2θ0\omega_p^2 = \omega^2\cos^2\theta_0, abaixo do nível em que ω=ωp\omega = \omega_p; uma frequência cujo ωcosθ0\omega\cos\theta_0 excede o ωp\omega_p máximo da camada escapa.

Exercício 15.8 ★★

Espelhos metálicos. Cobre (γ=6×107S/m\gamma = 6 \times 10^{7}\,\mathrm{S}/\mathrm{m}): refletância 18ε0ω/γ1 - \sqrt{8\varepsilon_0\omega/\gamma} a 10GHz10\,\mathrm{GHz}, a 30THz30\,\mathrm{THz} (laser de CO2_2) e, formalmente, a 5×1014Hz5 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz} — por que a fórmula falha ali (compare ωτ\omega\tau)? Potência absorvida de um feixe de laser de CO2_2 de 1kW1\,\mathrm{kW} num espelho de cobre; por que esses espelhos são refrigerados a água.

Solução

Solução de Exercício 15.8.

8ε0ω/γ\sqrt{8\varepsilon_0\omega/\gamma}: 2.7×1042.7 \times 10^{-4} (R=0.9997R = 0.9997), 1.5×1021.5 \times 10^{-2} (0.9850.985), 0.060.06 (0.940.94) — mas a 5×1014Hz5 \times 10^{14}\,\mathrm{Hz} ωτ=80\omega\tau = 80: o cobre é um plasma, e não um condutor ôhmico, e reflete cerca de 60%60\%, com cor. 15W15\,\mathrm{W} absorvidos do feixe de CO2_2: algumas centenas de kelvin por minuto num espelho pequeno, daí a água.

Exercício 15.9 ★★

Uma linha de 50Ω50\,\Omega é terminada por 7575, 2525, 00, \infty e 50Ω50\,\Omega: coeficiente de reflexão, razão de onda estacionária, fração da potência refletida. Um transmissor de 100W100\,\mathrm{W} alimenta uma antena de 75Ω75\,\Omega por um cabo de 50Ω50\,\Omega: potência que chega à antena (na primeira passagem) e para onde vai o resto. Um eco volta depois de 1.2µs1.2\,\text{µ}\mathrm{s} (clinha=2×108m/sc_{\text{linha}} = 2 \times 10^{8}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}), direito: onde está o defeito e qual é ele?

Solução

Solução de Exercício 15.9.

r=0.2r = 0.2, 1/3-1/3, 1-1, +1+1, 00; razão de onda estacionária 1.51.5, 22, \infty, \infty, 11; refletidos 4%4\%, 11%11\%, 100%100\%, 100%100\%, 00. 96W96\,\mathrm{W} chegam à antena e 4W4\,\mathrm{W} voltam ao transmissor (e são em parte rerrefletidos). 1.2µs1.2\,\text{µ}\mathrm{s}: 120m120\,\mathrm{m}; eco direito: um circuito aberto — um cabo cortado.

Exercício 15.10 ★★★

Fresnel para a polarização s. Uma onda com E\vect E perpendicular ao plano de incidência encontra a interface n1n2n_1 \to n_2 em θ1\theta_1. (a) Escreva os três campos E\vect E e as componentes tangenciais de B=kE/ω\vect B = \vect k\wedge\vect E/\omega. (b) Imponha a continuidade dos E\vect E e B\vect B tangenciais e deduza rs=n1cosθ1n2cosθ2n1cosθ1+n2cosθ2r_s = \dfrac{n_1\cos\theta_1 - n_2\cos\theta_2} {n_1\cos\theta_1 + n_2\cos\theta_2}. (c) Confira o limite de incidência normal e o limite rasante. (d) Para o vidro a 4545{}^{\circ}: RsR_s; compare com Rp=(n2cosθ1n1cosθ2n2cosθ1+n1cosθ2)2R_p = \bigl(\frac{n_2\cos\theta_1 - n_1\cos\theta_2}{n_2\cos\theta_1 + n_1\cos\theta_2}\bigr)^2 (admitido) e com os 4%4\% da incidência normal.

Solução

Solução de Exercício 15.10.

(a) E=Eez\vect E = E\vect e_z; kez=(ky,kx,0)\vect k\wedge\vect e_z = (k_y, -k_x, 0), de modo que a componente tangencial By=(n/c)cosθEB_y = -(n/c)\cos\theta\,E para as ondas incidente e transmitida e +(n1/c)cosθ1Er+(n_1/c)\cos\theta_1E_r para a refletida. (b) 1+r=t1 + r = t e n1cosθ1(1r)=n2cosθ2tn_1\cos\theta_1 (1 - r) = n_2\cos\theta_2t: o rsr_s enunciado. (c) θ=0\theta = 0: (n1n2)/(n1+n2)(n_1 - n_2)/(n_1 + n_2); θ190\theta_1 \to 90^\circ: rs1r_s \to -1. (d) cosθ2=0.882\cos\theta_2 = 0.882: rs=0.30r_s = -0.30, Rs=9.2%R_s = 9.2\%; Rp=0.85%R_p = 0.85\%; contra 4.3%4.3\% na incidência normal.

Exercício 15.11 ★★★

Reflexão total frustrada. A luz no vidro (n=1.5n = 1.5) é totalmente refletida numa face vidro–ar a 4545{}^{\circ}; uma segunda superfície de vidro é aproximada até a distância dd no ar. (a) Comprimento de decaimento evanescente \ell para λ=600nm\lambda = 600\,\mathrm{nm}. (b) Admitindo que a intensidade transmitida através do vão vale aproximadamente e2d/\eu^{-2d/\ell}, ache dd para 50%50\% e para 1%1\% 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) 270nm270\,\mathrm{nm}. (b) d=0.35=95nmd = 0.35\ell = 95\,\mathrm{nm}; 2.3=620nm2.3\ell = 620\,\mathrm{nm}. (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 x=0x = 0 e x=Lx = L encerram uma onda estacionária. (a) Mostre que só L=mλ/2L = m\lambda/2 é possível: os modos da cavidade, fm=mc/2Lf_m = mc/2L. (b) Para L=15cmL = 15\,\mathrm{cm}, os três primeiros modos; qual deles fica perto de 2.45GHz2.45\,\mathrm{GHz}? (c) Correntes superficiais nos dois espelhos e a força sobre cada um (para dentro ou para fora?), para uma amplitude de campo E0=20kV/mE_0 = 20\,\mathrm{kV}/\mathrm{m} no interior. (d) Os espelhos agora são de cobre: usando a resistência superficial Rs=1/γδR_s = 1/\gamma\delta do Capítulo 14, a potência perdida por unidade de área a 2.45GHz2.45\,\mathrm{GHz} com H0=E0/μ0cH_0 = E_0/\mu_0c (o ventre magnético), e o tempo para a energia armazenada (12ε0E02\tfrac12\varepsilon_0E_0^2 por unidade de volume, em média, ao longo do comprimento LL) decair — o fator de qualidade Q=2πf×Q = 2\pi f\,\times energia armazenada / potência perdida.

Solução

Solução de Exercício 15.12.

(a) Nós de E\vect E nos dois espelhos: sinkL=0\sin kL = 0, L=mλ/2L = m\lambda/2, fm=mc/2Lf_m = mc/2L. (b) 11, 22, 3GHz3\,\mathrm{GHz}: nenhum em 2.45GHz2.45\,\mathrm{GHz} — os modos tridimensionais de um forno real são muito mais densos. (c) js=H0=E0/μ0c=53A/mj_s = H_0 = E_0/\mu_0c = 53\,\mathrm{A}/\mathrm{m} em cada um, e a pressão μ0js2/2=1.8mPa\mu_0j_s^2/2 = 1.8\,\mathrm{mPa} afasta os espelhos um do outro. (d) δ=1.3µm\delta = 1.3\,\text{µ}\mathrm{m}, Rs=12.5mΩR_s = 12.5\,\mathrm{m}\Omega; 12RsH02=18W/m2\tfrac12R_sH_0^2 = 18\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2} por espelho; energia média armazenada 14ε0E02×L=1.3×107J/m2\tfrac14\varepsilon_0E_0^2 \times L = 1.3 \times 10^{-7}\,\mathrm{J}/\mathrm{m}^{2}; Q=2πf×1.3×107/356×104Q = 2\pi f \times 1.3 \times 10^{-7}/35 \approx 6 \times 10^4.

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 1616 superfícies ar–vidro de índice 1.521.52; luz a 550nm550\,\mathrm{nm}.

  1. Refletância de uma superfície sem revestimento; transmissão de toda a objetiva; fração da luz que vagueia como reflexos parasitas.
  2. Revestimento ideal de camada única: índice e espessura; por que não existe sólido comum com esse índice, e qual é a refletância residual com MgF2_2 (1.381.38)?
  3. Com 1616 superfícies a 1.3%1.3\% cada: transmissão; a 0.3%0.3\% (multicamada): transmissão. Por que as objetivas antigas dão imagens "chapadas" e de baixo contraste?
  4. O revestimento é projetado para 550nm550\,\mathrm{nm}: mostre que a 440nm440\,\mathrm{nm} a fase φ\varphi da ida e volta vale 1.25π1.25\pi e estime a refletância ali (fórmula de duas reflexões, Rr12+r22+2r1r2cosφR \approx r_1^2 + r_2^2 + 2r_1r_2\cos\varphi, com r1=0.16r_1 = -0.16, r2=0.05r_2 = -0.05). De que cor é o reflexo?
  5. Um espelho dielétrico empilha camadas de quarto de onda de 1.381.38 e 2.352.35: as amplitudes refletidas nas interfaces sucessivas somam-se agora em fase; reflexão de um par (duas interfaces) e por que 2020 pares chegam a 99.9%99.9\%.
  6. Na lente revestida a onda refletida é "cancelada": para onde foi sua energia?
  7. 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 Z1=30×106kgm2s1Z_1 = 30 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, camada de casamento, gel, pele com Z=1.6×106kgm2s1Z = 1.6 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}, f=5MHzf = 5\,\mathrm{MHz}.

  1. Transmissão direta cerâmica–tecido em energia; e com a camada de quarto de onda de impedância ideal (valor) em ff.
  2. A camada é um quarto de onda a 5MHz5\,\mathrm{MHz}: transmissão a 3MHz3\,\mathrm{MHz} e a 7MHz7\,\mathrm{MHz} (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?
  3. Um filme de ar de 5µm5\,\text{µ}\mathrm{m} entre a sonda e a pele: transmissão em amplitude pelas duas interfaces (multiplique os tt, ignorando a ressonância); energia transmitida; em dB.
  4. O mesmo com gel (Z=1.5×106kgm2s1Z = 1.5 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}).
  5. A reverberação própria da cerâmica: o pulso ricocheteia dentro dela com r0.9r \approx 0.9 por reflexão na face do tecido (e 1\approx 1 no fundo); número de idas e voltas para a amplitude cair a 1%1\%, e por que a cerâmica é apoiada num absorvedor.
  6. Eco de uma superfície óssea de 1mm1\,\mathrm{mm} a 5cm5\,\mathrm{cm} de profundidade: fração de energia que volta à sonda (reflexão no osso e duas passagens com atenuação de 0.5dB/cm/MHz0.5\,\mathrm{dB}/\mathrm{cm}/\mathrm{MHz}); por que o osso projeta uma sombra acústica.

Parte III — O absorvedor de radar. Um radar de 10GHz10\,\mathrm{GHz} ilumina uma placa metálica. Para escondê-la, uma fina lâmina resistiva de resistência superficial RsR_s (Ω\Omega por quadrado) é colocada a uma distância dd diante da placa, com ar entre elas. A impedância do vácuo vale Z0=μ0/ε0=377ΩZ_0 = \sqrt{\mu_0/\varepsilon_0} = 377\,\Omega.

  1. Refletância da placa metálica nua (condutor perfeito) e a fase de rr.
  2. Trate o vão de ar como uma linha de transmissão de impedância Z0Z_0 curto-circuitada pela placa: mostre que a impedância vista na lâmina, olhando para a placa, vale Zent=iZ0tan(2πd/λ)\underline Z_{\text{ent}} = \iu Z_0 \tan(2\pi d/\lambda) (escreva a onda estacionária v=vi(eikxeikx)v = v_i(\eu^{-\iu kx} - \eu^{\iu kx}) a partir do curto e tome v/iv/i em x=dx = -d); para d=λ/4d = \lambda/4 ela é infinita (um circuito aberto).
  3. A lâmina de resistência RsR_s em paralelo com esse circuito aberto apresenta RsR_s à onda que chega: coeficiente de reflexão (RsZ0)/(Rs+Z0)(R_s - Z_0)/(R_s + Z_0); conclua que uma lâmina de 377Ω377\,\Omega por quadrado a λ/4\lambda/4 nada reflete (a tela de Salisbury). Valor de dd a 10GHz10\,\mathrm{GHz}.
  4. Para onde vai a energia? Confira com a potência dissipada na lâmina, v2/2Rs|v|^2/2R_s por unidade de área, contra a intensidade incidente.
  5. A 8GHz8\,\mathrm{GHz} e a 12GHz12\,\mathrm{GHz} com a mesma tela: Zent\underline Z_{\text{ent}}, a impedância total RsZentR_s \parallel \underline Z_{\text{ent}} e a refletância; largura de banda do truque.
  6. O radar ilumina agora a tela a 3030{}^{\circ} da normal: o que muda na fase da ida e volta pelo vão, e o que isso faz com o casamento?
  7. 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.

  1. A prata a 500nm500\,\mathrm{nm} comporta-se como um plasma (ωp=1.4×1016rad/s\omega_p = 1.4 \times 10^{16}\,\mathrm{rad}/\mathrm{s}): n\underline n, rr (módulo e fase), profundidade de penetração. Por que nenhum revestimento de quarto de onda consegue fazer um metal parar de refletir?
  2. Um laser verde de 1kW1\,\mathrm{kW} num espelho de prata (R=0.97R = 0.97): potência absorvida e a taxa de elevação de temperatura de um espelho de 10g10\,\mathrm{g} (c=235J/(kgK)c = 235\,\mathrm{J}/(\mathrm{kg}\,\mathrm{K})) se nada o resfriar.
  3. Onda estacionária diante da prata: espaçamento dos nós de E\vect E e posição do primeiro (use a fase de rr); o que recebe um grão de poeira pousado num nó?
  4. O feixe da questão 22 tem 1cm21\,\mathrm{cm}^{2}: intensidade, amplitude do campo e a densidade superficial de corrente que o espelho deve conduzir (estimativa de condutor perfeito, js=2E0/μ0cj_s = 2E_0/\mu_0c).
  5. Compare os três "espelhos" deste problema — o metal, o plasma e a pilha dielétrica — pelo mecanismo que devolve a onda, pela fase de rr e pelo que limita sua refletância.
Solução

Solução de Problema 15.1.

1. R=4.3%R = 4.3\%; 0.95716=0.500.957^{16} = 0.50; metade da luz se perde.

2. n=1.23n = 1.23, e=112nme = 112\,\mathrm{nm}; nenhum sólido durável tem índice tão baixo (o MgF2_2, 1.381.38, é o menor): residual de 1.3%1.3\%.

3. 0.98716=0.810.987^{16} = 0.81; 0.99716=0.950.997^{16} = 0.95. Os reflexos parasitas embaçam a imagem: véu de luz, contraste baixo.

4. φ=π×550/440=1.25π\varphi = \pi \times 550/440 = 1.25\pi: R0.0256+0.0025+2×0.008×cos1.25π=1.7%R \approx 0.0256 + 0.0025 + 2 \times 0.008 \times \cos1.25\pi = 1.7\% — mais que a 550nm550\,\mathrm{nm}, como na ponta vermelha: um reflexo magenta.

5. Cada interface reflete r=0.97/3.73=0.26|r| = 0.97/3.73 = 0.26; 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 14(nL/nH)2N11091 - 4(n_L/n_H)^{2N} \approx 1 - 10^{-9} para N=20N = 20.

6. A condição de estarem em fase só vale perto do comprimento de onda de projeto (uma faixa de uns ±15%\pm15\%); o resto passa: um espelho verde parece magenta por transmissão.

7. Para a onda transmitida: a interferência redistribui, com R+T=1R + T = 1.

8. 19%19\%; com Zm=Z1Z2=6.9×106kgm2s1Z_m = \sqrt{Z_1Z_2} = 6.9 \times 10^{6}\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-2}\,\mathrm{s}^{-1}: 100%100\% a 5MHz5\,\mathrm{MHz}.

9. r1=0.63r_1 = 0.63, r2=0.62r_2 = 0.62; a 3MHz3\,\mathrm{MHz} a fase de ida e volta vale 0.6π0.6\pi, e a 7MHz7\,\mathrm{MHz}, 1.4π1.4\pi: R0.39+0.390.24=0.54R \approx 0.39 + 0.39 - 0.24 = 0.54, T0.46T \approx 0.46 nas duas: o casamento só vale numa faixa em torno de 5MHz5\,\mathrm{MHz}, ao passo que um pulso curto precisa de faixa larga — um compromisso.

10. t1=2×410/30×106=2.7×105t_1 = 2 \times 410/30 \times 10^6 = 2.7 \times 10^{-5}, t2=2.0t_2 = 2.0: t=5.5×105t = 5.5 \times 10^{-5}, T=t2Z1/Z3=5.6×108T = t^2Z_1/Z_3 = 5.6 \times 10^{-8}: 72dB-72\,\mathrm{dB}.

11. t=0.095×1.03=0.098t = 0.095 \times 1.03 = 0.098, T=0.0982×30/1.6=0.18T = 0.098^2 \times 30/1.6 = 0.18: o gel apenas elimina o ar.

12. 0.9N=0.010.9^N = 0.01: N=44N = 44 idas e voltas — um repique longo; o apoio absorve a onda que volta e a mata.

13. R=0.40R = 0.40 no osso; 2×5×0.5×5=25dB2 \times 5 \times 0.5 \times 5 = 25\,\mathrm{dB} de atenuação: 0.40×3.2×103=1.3×1030.40 \times 3.2 \times 10^{-3} = 1.3 \times 10^{-3} (29dB-29\,\mathrm{dB}); o osso absorve o que não reflete: nada volta de trás dele.

14. R=1R = 1, r=1r = -1.

15. Curto em x=0x = 0: v=2ivisinkxv = -2\iu v_i\sin kx, i=(2vi/Z0)coskxi = (2v_i/Z_0)\cos kx; em x=dx = -d: v/i=iZ0tankdv/i = \iu Z_0\tan kd; infinita em d=λ/4d = \lambda/4.

16. Rs=RsR_s \parallel \infty = R_s: r=(RsZ0)/(Rs+Z0)=0r = (R_s - Z_0)/(R_s + Z_0) = 0 para 377Ω377\,\Omega; d=7.5mmd = 7.5\,\mathrm{mm}.

17. A lâmina vê o campo incidente inteiro: v2/2Rs=E02/2Z0|v|^2/2R_s = E_0^2/2Z_0, a intensidade incidente — tudo absorvido.

18. A 8GHz8\,\mathrm{GHz}: kd=72kd = 72^\circ, Zent=i1160ΩZ_{\text{ent}} = \iu1160\,\Omega, RsZent=(340+111i)ΩR_s \parallel Z_{\text{ent}} = (340 + 111\iu)\,\Omega, R=r2=2.6%R = |r|^2 = 2.6\% (16dB-16\,\mathrm{dB}); a 12GHz12\,\mathrm{GHz}: kd=108kd = 108^\circ, mesmo módulo: 16dB-16\,\mathrm{dB}. Útil em cerca de ±20%\pm20\%.

19. A incidência oblíqua encurta o quarto de onda efetivo (dcosθd\cos\theta) 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. n=i(ωp/ω)21=3.6i\underline n = -\iu\sqrt{(\omega_p/\omega)^2 - 1} = -3.6\iu; r=1|r| = 1, fase 2arctan3.6=1492\arctan3.6 = 149{}^{\circ}; profundidade c/3.6ω=22nmc/3.6\omega = 22\,\mathrm{nm}. 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. 30W30\,\mathrm{W}; 30/(0.01×235)=13K/s30/(0.01 \times 235) = 13\,\mathrm{K}/\mathrm{s}.

23. Nós a cada λ/2=250nm\lambda/2 = 250\,\mathrm{nm}; Ecos(kx+φ/2)E \propto \cos(kx + \varphi/2) com φ=149\varphi = 149^\circ: primeiro nó em x=(90+74.5)λ/360=230nmx = -(90^\circ + 74.5^\circ)\lambda/360^\circ = -230\,\mathrm{nm}; um grão ali fica no escuro.

24. I=1×107W/m2I = 1 \times 10^{7}\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}, E0=2I/ε0c=87kV/mE_0 = \sqrt{2I/\varepsilon_0c} = 87\,\mathrm{kV}/\mathrm{m}, js=2E0/μ0c=460A/mj_s = 2E_0/\mu_0c = 460\,\mathrm{A}/\mathrm{m}.

25. Metal: correntes superficiais numa profundidade de penetração, r1r \approx -1, limitado pela perda Joule dessas correntes. Plasma: penetração evanescente, r=1|r| = 1 com fase dependente da frequência, limitado pelas colisões. Pilha dielétrica: muitas reflexões fracas somadas em fase, r1r \to 1 numa banda, limitado pelo número de camadas e pela largura de banda.