Questão 93 do ENEM 2022 — Física
Na área de comunicações, a demanda por grande volume de dados exige uma transmissão em alta frequência. Uma inovação nesse sentido foi o desenvolvimento da fibra óptica, que faz uso da luz como portadora de sinais. A fibra óptica é um meio de propagação da luz formada por duas camadas de vidro, com índices de refração diferentes. Considere que a camada externa da fibra apresente índice de refração n2, e a camada interna, índice de refração n1, como ilustrado na figura.
n2
n1
Luz incidente
O objetivo dessa diferença é obter a condição de reflexão interna total do sinal óptico que se encontre na camada interna, de forma que ele se propague por toda a extensão da fibra.
A tecnologia envolvida na confecção das fibras ópticas deve garantir que o ângulo de refração e a relação entre n1 e n2 sejam, respectivamente,
45 °en n .
Resolução comentada
A questão trata da reflexão interna total na fibra óptica e pede o ângulo de refração e a relação entre os índices de refração que garantem essa condição, usando a lei de Snell.
A luz viaja na camada interna (índice n₁) e incide na interface com a camada externa (índice n₂). A reflexão interna total só ocorre se a luz vai de um meio mais refringente para um menos refringente, e começa exatamente quando o raio refratado rasa a interface.
Lei de Snell: n₁ · sen θ₁ = n₂ · sen θ₂.
No limite da reflexão total, θ₂ = 90°, então sen θ₂ = 1.
n₁ · sen θ₁ = n₂, e como sen θ₁ ≤ 1, resulta n₂ ≤ n₁ (em geral, n₂ < n₁).
A resposta é 90° e n₂ < n₁. A opção que traz 90° e n₂ > n₁ falha porque exigiria sen θ₁ = n₂/n₁ > 1, o que é impossível. As que trazem ângulo nulo descrevem um raio que atravessa sem desviar, incidência normal à interface, situação em que não há reflexão total, e, além disso, uma delas ainda inverte a relação para n₂ > n₁. A que traz 45° e n₂ < n₁ acerta a relação entre os índices, mas 45° não é o ângulo de refração no limite da reflexão total; o raio só fica rasante, sem sair da camada, em 90°.