Interferência

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Interferência é um fenômeno descrito pelo cientista inglês Thomas Young, sendo que este fenômeno representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto. Esta superposição pode ter um caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência destrutiva) ou pode ter um caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva). Exemplo: Quando escutamos música em nosso lar, percebemos que certos locais no recinto são melhores para se ouvir a música do que outros. Isto se deve pelo fato de nestes pontos as ondas que saem dos dois alto-falantes sofrem interferência construtiva. Ao contrário, os locais onde o som está ruim de ouvir é causado pela interferência destrutiva das ondas.

É muito interessante a aplicação do princípio da interferência no entendimento da Mecânica Quântica. Exemplo: Uma perturbação, tipo um golpe, numa superfície líquida geraria uma onda em todas as direções a partir do ponto de incisão. Ao deparar-se com um anteparo interferindo no caminho das ondas com duas fendas abertas, ao passarem por este, o desenho das ondas seria redefinido e, ao atingir um segundo anteparo com quatro fendas, teríamos um desenho clássico das "franjas" gerado pelas ondas. Ao fazermos uma experiência semelhante com partículas tipo elétrons ou nêutrons, seria esperado um desenho diferente, baseado na física clássica, onde ao atingirem o primeiro artefato, passariam pelas duas fendas e atingiriam o segundo artefato em duas fendas também, sem invocar o desenho clássico de franjas (ondas). No entanto, isso não ocorre. O desenho final é o mesmo das "franjas", o que demonstra um comportamento ondular nessas partículas. O que conclui uma dualidade de propriedades: ora partícula, ora onda. Esse é a chamada dualidade onda-corpúsculo.[1]

Mecanismo[editar | editar código-fonte]

O princípio da sobreposição de ondas afirma que, quando duas ou mais ondas são incidentes sobre o mesmo ponto, o deslocamento total nesse ponto é igual à soma vectorial dos deslocamentos das ondas individuais. Se a crista de uma onda encontra uma crista de uma outra onda da mesma frequência no mesmo ponto, então a magnitude do deslocamento é a soma das magnitudes individuais - esta é a interferência construtiva. Se a crista de uma onda encontra uma calha de uma outra onda, em seguida, a magnitude dos deslocamentos é igual à diferença entre as grandezas individuais - isto é conhecido como uma interferência destrutiva.

Suponha que uma onda se propaga em uma corda, junto com outra , deslocada em relação à primeira. As duas ondas tem a mesma frequência angular e portanto a mesma frequência , o mesmo numero de onda e a mesma amplitude . Ambas se propagam no sentido positivo do eixo x, com a mesma velocidade. Elas somente se diferem pelo ângulo constante , a constante de fase, uma esta defasada de em relação a outra. Segundo o principio de superposição, a onda resultante é a soma das duas outras e tem um deslocamento igual a resultando em . Essa onda resultante esta exemplificada na tabela abaixo:

Exatamente em fase Exatamente fora de fase Resultado intermediário
Ondas e
Ondas em fase.png
Onda fora de fase.jpg
Intermediaria.jpg
Onda resultante
Ondar1.jpg
Ondar2.jpg
Ondar3.jpg
Fórmula

Com , para

Com , para

Com , para

Interferência de ondas de duas fontes pontuais.

Considere, por exemplo, o que acontece quando duas pedras idênticas são descartados em uma piscina de água em locais diferentes. Cada pedra gera uma onda circular de propagação para o exterior a partir do ponto onde a pedra foi deixada cair. Quando as duas ondas se sobrepõem, a deslocação líquida num ponto particular é a soma dos deslocamentos das ondas individuais. Em alguns pontos, estes serão em fase, e irá produzir um deslocamento máximo. Noutros locais, as ondas estarão em anti-fase, e não haverá nenhum deslocamento do líquido nesses pontos. Assim, as partes da superfície serão estacionárias - estas são vistas na figura acima, e para a direita como linhas estacionárias azul-verdes irradiando a partir do centro.[2]

Ondas planas[editar | editar código-fonte]

Disposição geométrica para duas interferências de ondas planas

Uma forma simples de padrão de interferência é obtida se duas ondas planas da mesma frequência cruzam em ângulo. Interferência é essencialmente um processo de redistribuição de energia. A energia que é perdida a interferência destrutiva é recuperada na interferência construtiva. Uma onda se desloca na horizontal, e a outro está viajando para baixo segundo um ângulo θ para a primeira onda. Assumindo que as duas ondas estão em fase no ponto B, então as mudanças de fase relativas ao longo do eixo x. A diferença de fase no ponto A é dada por

Pode ser visto que as duas ondas estão em fase quando

,

e são meio ciclo fora de fase quando

Interferência construtiva ocorre quando as ondas estão em fase, e a interferência destrutiva quando eles são um meio ciclo de fase. Assim, um padrão de franjas de interferência é produzido, em que a separação do máximo é

e df é conhecido como o espaçamento de franjas. As franjas são observadas onde as duas ondas se sobrepõem e o espaçamento de franja é uniforme.[2]

Ondas esféricas[editar | editar código-fonte]

Wavepanel.png

Uma fonte pontual produz uma onda esférica. Se a luz a partir de duas fontes pontuais se sobrepõem,a interferência padrão mapeia o caminho em que a diferença de fase entre as duas ondas varia no espaço. Isto depende do comprimento de onda e das distâncias relativas das fontes pontuais. A figura à direita mostra a interferência entre duas ondas esféricas pontuais de diferentes comprimentos de onda e distância de fontes. Os aumentos de comprimento de onda de cima para baixo, e a distância entre as fontes da esquerda para a direita. Quando o plano de observação é suficientemente longe, o padrão de franjas serão uma série de linhas quase retas, uma vez que as ondas serão, então, quase planas.[2]

Múltiplas Ondas[editar | editar código-fonte]

Frequentemente acontece de duas ou mais ondas passarem simultaneamente pela mesma região. Quando ouvimos um concerto, por exemplo, as ondas dos vários instrumentos chegam aos nossos ouvidos ao mesmo tempo. Essa interferência ocorre quando há superposição de varias ondas em um mesmo ponto, desde que as diferenças de fase entre elas permaneçam constantes durante o período de observação.

Quando há superposição de varias ondas de uma mesma freqüência e amplitude a onda resultante se resume a zero (ou seja, interfere destrutivamente, cancelam-se). Exemplos disso são a rede de difração e o sistema trifásico de energia. Em ambos, o resultado é conseguido por um espaçamento uniforme das fases. É fácil ver que o conjunto de ondas vai cancelar se elas têm a mesma amplitude e suas fases são igualmente espaçadas. Usando fasores, cada onda pode ser representada como para ondas de à , onde .

Para mostrar que basta simplesmente assumir o inverso, em seguida, multiplicar ambos os lados por .

O interferômetro de Fabry-Perot utiliza a interferência entre as reflexões múltiplas. Uma rede de difração pode ser considerada como um interferômetro de múltiplos feixes, uma vez que os picos que ela produz são gerados por interferência entre a luz transmitida por cada um dos elementos de rede.[2]

Experiência de Young[editar | editar código-fonte]

Ilustração da Experiência de Young

Uma das formas mais comuns de representar e ilustrar o fenômeno da interferência é através da Experiência da Dupla Fenda de Thomas Young que foi criado usando, além da interferência, a difração. O físico britânico criou seu experimento a partir de dois anteparos, na imagem, "S1" e "S2", e uma tela de observação "F"; no primeiro anteparo ele fez um pequeno orifício "a" e, no segundo, dois orifícios "b" e "c". A luz do sol entrava por "a", difratando-se até atingir o segundo anteparo, onde passava pelas fendas "b" e "c" e, a partir daí, difratava-se novamente na região entre "S2" e "F", ocorrendo uma sobreposição das ondas gerando interferências, tanto construtivas quanto destrutivas, dependendo de onde.[3] Dessa forma, na tela de observação, facilmente notava-se um padrão, como o da imagem ao lado, de interferências: as áreas brancas eram regiões de interferência construtiva, onde a luz chegava intensamente, e as áreas negras regiões de interferência destrutiva, nas quais nem sequer havia presença de luminosidade. Assim, é possível notar como a fase das ondas no momento em que se sobrepõe influencia totalmente a onda resultante.[4] Em 2016, físicos irradiaram um sinal de luz até um satélite e observaram , após o regresso dos fótons, uma interferência quântica[5] confirmando que caracteristicas quânticas das partículas permaneceram intactas em uma viagem de 5.000 quilômetros ao espaço.[6]

Interferômetro[editar | editar código-fonte]

Ilustração da vista superior do interferômetro.

É um dispositivo usado para medir o comprimento de pequenas variações de distancias usando-se interferência da luz, podendo medir mudanças de comprimento com precisão de frações do comprimento de onda da luz por ele utilizada e funcionando através das franjas de interferência.

O funcionamento desse equipamento consiste em uma fonte de luz de laser que emite luz. A luz passa através de uma lente desfocalizadora para espalhar o feixe extremamente colimado do laser. A luz passa através de um espelho semi prateado e1. Parte da luz é refletida através do espelho móvel e2. A distância entre e1 e e2 é x2, e a distancia entre e1 e e3 é x3. A luz transmitida é totalmente refletida de e2 de volta para e1. A luz refletida também é totalmente refletida de e3 de volta para e1. Parte da luz refletida de e2 é então refletida para e1 no sentido de um anteparo; o resto da luz é transmitida e não é levada em consideração. Parte da luz de e3 é transmitida através de e1; o restante é refletido e desconsiderado. O alinhamento efetivo da luz é tal que os dois raios que atingem o anteparo são colineares.

A separação mostrada na figura é simplesmente para efeito de clareza.

A luz dos espelhos e2 e e3 que atinge o anteparo interferem com base nas diferenças de caminho percorrido. Ambos os caminhos perfazem duas reflexões, cada uma resultando em uma mudança de fase de meio comprimento de onda, assim a condição para interferência construtiva é = .

As duas diferenças de caminho têm uma diferença de comprimento de = 2x2 - 2x3 = 2(x2-x3).

O anteparo mostra círculos concêntricos de franjas lineares correspondendo a interferência construtiva ou destrutiva, dependendo do tipo de lente desfocalizadora utilizada e da inclinação dos espelhos. Se o espelho móvel e2 é deslocado de uma distancia de lambida sobre dois, as franjas se deslocam por uma franja interna.

Outro tipo de medida que pode ser feita com o interferômetro é colocando-se um material com índice de refração n e espessura t no caminho da luz indo para o espelho e2. A diferença de caminho em termos de numero de comprimento de onda ira se alterar, pois o comprimento de onda da luz no material é diferente de . O comprimento de onda da luz neste material está relacionado através de .[7]

Referências

  1. PEREIRA, P. A. CAVALCANTI, C. J.H. OSTERMANN, F. Concepções relativas à dualidade onda-partícula: uma investigação na formação de professores de Física. Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias Vol.8 Nº1 (2009)
  2. a b c d HALLIDAY, David. RESNICK, Robert e WALKER, Jearl. Fundamentos de Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica vol.2: 8ª edição, 2008.
  3. BRAUN, Luci; BRAUN, Thomas. . "A montagem de Young no estudo da interferência, difração e coerência de fontes luminosas". Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 11, n. 1, dez, 1994.
  4. FILHO, Jenner; SIQUEIRA, Antonio. . "O experimento da dupla fenda como exemplo de incognoscibilidade?". Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 15, n. 1 a 4, 1993.
  5. Interference at the single photon level along satellite-ground channels por Giuseppe Vallone, et al, publicado por "Phys. Rev. Lett." (2016)
  6. Quantum weirdness survives space travel Photons sent to satellite and back maintain cryptography ability por EMILY CONOVER em "Science News" (2016)
  7. Wolfgang Bauer, Gary D. Westfall, Helio Dias (2013). Física para Universitários: Óptica e Física Moderna AMGH [S.l.] 

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

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